Básico de Turbinas a Gás_ Petrobras

Manoel Queiroz José Augusto Matias

Jan/2003

E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE

BÁSICO DE TURBINAS A GÁS

Seção I TURBINA A GÁS: • • • •

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO CICLO BRAYTON COMPONENTES BÁSICOS APÊNDICES: • CICLOS TERMODINÂMICOS • TERMODINÂMICA BÁSICA


Seção I - 1


TURBINA A GÁS 1 - INTRODUÇÃO A invenção da turbina a gás e o desenvolvimento do seu projeto original foram feitos para acionamento de aviões e pesquisas de propulsão a jato. O emprego de turbinas a gás para o acionamento de compressores, bombas e geradores foi adaptado, mais tarde. Devido a sua construção compacta , pequeno peso e a alta potência quando comparado com os motores tradicionais de combustão interna seu uso tem sido muito difundido para aplicações industriais. Em 1930 FRANK WHITTLE apresentou a primeira patente de uma turbina a gás para produzir um jato de propulsão. A turbina WHITTLE formou as bases das modernas turbinas a gás.

Recentemente, turbinas a gás de baixo peso (aeroderivadas) foram introduzidas em aplicação industrial. Neste meio, essas turbinas são comumente denominada geradora de gás (GG). Seu propósito é a geração de um grande volume de gases de alta energia que escoa através de uma roda de turbina transformando essa energia em potência, no eixo. 2- PRINCÍPIO BÁSICO DE FUNCIONAMENTO DE TURBINA A GÁS A Turbina a gás é uma máquina térmica que utiliza o ar como fluido motriz para prover energia. Para conseguir isto o ar que passa através da turbina deve ser acelerado; isto significa que a velocidade ou energia cinética do ar é aumentada. Para obter esse aumento, primeiramente aumenta-se a pressão e, em seguida, adiciona-se calor. Finalmente a energia gerada (aumento de entalpia) é transformada em potência no eixo da turbina .


Seção I - 2


Uma turbina a gás produz energia a partir do resultado das seguintes etapas contínuas do ciclo BRAYTON: 1. Compressão - O ar é admitido e comprimido em um compressor onde as energias de pressão e temperatura do fluido (ar) aumentam. 2. Combustão - O ar comprimido flui para as câmaras de combustão, onde o combustível, a alta pressão, é injetado e queimado a uma pressão aproximadamente constante. A ignição da mistura ar/combustível ocorre durante a partida, através ignitores. Posteriormente a combustão se auto sustenta. E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE

Seção I - 3


3. Expansão - Gases em alta temperatura e pressão são expandidos a uma alta velocidade através dos estágios da turbina geradora de gás, que converte parte da energia dos gases em potência no eixo para acionar o compressor de ar ( aproximadamente 2/3 da energia gerada com a queima). 4. Exaustão - Em um avião a jato, os gases remanescentes da expansão na turbina passam através de um bocal para aumentar sua velocidade e, consequentemente, o impulso (propulsão). Na aplicação industrial, os gases são direcionados para uma turbina de reação ou potência onde a energia residual (aproximadamente1/3) da energia gerada, dos gases é convertida em potência no eixo para acionar um componente como um compressor de gás, gerador elétrico ou uma bomba. Finalmente os gases fluem para o duto de exaustão, onde sua energia remanescente pode ainda ser aproveitada em um sistema de recuperação de calor (aquecimento de água, geração de vapor, aquecimento do ar de combustão, etc.). 2.1- COMPARAÇÃO ENTRE OS CICLOS DE FUNCIONAMENTO DE MOTORES Podemos fazer comparação entre os ciclos de funcionamento de uma turbina (ciclo Brayton) e de um motor convencional de 4 (quatro) tempos (ciclo Otto). Em uma turbina a combustão ocorre a uma pressão constante, ao passo que em um motor convencional a combustão ocorre a um volume constante.

Fig. 5 - Comparação entre Ciclos


Seção I - 4


2.1.1- O Ciclo Otto Em ambos os ciclos ocorrem as etapas de admissão, compressão, combustão e exaustão. Em um motor de ciclo convencional (Otto), essas etapas ocorrem no mesmo local (cilindro) em tempos diferentes, sendo portanto um ciclo intermitente.

Em uma turbina (ciclo Brayton), essas etapas ocorrem continuamente em locais diferentes com os processos de compressão, combustão, expansão e exaustão separados. Do ponto 1 ao ponto 2 o ar é admitido, ocorrendo aumento do volume sem variação da pressão. Do

ponto 2 ao 3 ocorre o movimento ascendente do pistão acarretando a redução do volume, aumento da pressão e conseqüente aumento da temperatura, visto que é um processo de compressão politrópica. No ponto 3 ocorre a ignição com grande aumento da temperatura da mistura. O termo, "volume constante", é devido ao fato de que do ponto 3 ao ponto 4, a combustão da mistura, não ocorre mudança considerável no volume, mas ocorre um grande aumento da pressão. Do ponto 4 ao ponto 5 ocorre a expansão com queda da temperatura e da pressão e aumento do volume. É importante notar que esta é a única etapa em que a energia pode ser extraída (trabalho extraído do processo). Quando a válvula de exaustão abre, ponto 5 ao ponto2, resulta em uma rápida queda de pressão a volume constante. O pistão então sobe forçando os gases remanescentes para a exaustão ( ponto 2 ao ponto 1). O ciclo então é reiniciado. 2.1.2- O CICLO DE BRAYTON


Seção I - 5


As turbinas operam no ciclo Brayton (pressão constante) que comumente é denominado ciclo aberto. As etapas deste ciclo são mostradas no gráfico P x V da figura 9. O ar é admitido e comprimido do ponto 1 ao ponto 2 com conseqüente aumento de pressão e temperatura, e redução do volume. Do ponto 2 ao 3 temos representado a combustão à pressão constante, mas com um aumento acentuado do volume. Este aumento de volume se manifesta em aumento de velocidade de escoamento dos gases, porque não há mudança acentuada na área desta seção da turbina. A partir da combustão ocorre a expansão dos gases nas rodas da turbina causando uma redução da pressão e temperatura e aumento de volume. Este processo continua do ponto 4 ao 5 através da turbina de potência. 3- DESCRIÇÃO BÁSICA DE UMA TURBINA A GÁS A turbina a gás é composta de: • Gerador de gás (GG): - compressor de ar - câmara de combustão - Turbina de alta pressão (HP) • Turbina livre ou turbina de potência (PT) 3.1- COMPRESSOR O compressor é o componente da turbina a gás onde o fluido de trabalho é pressurizado, sendo sempre empregado o do tipo dinâmico ( centrífugo, axial ou axial com o último estágio centrífugo ). O compressor axial trabalha com relações de compressão por estágio baixas, valores usuais de projeto situando-se entre 1,1/ 1 e 1,4/ 1 , o que resulta em um número grande de estágios para se atinjam as relações de compressão elevadas, de até 21/1 , empregadas em algumas máquinas modernas. Na prática, relações de compressão muito elevadas são obtidas normalmente com dois ou três rotores axiais, operando em série, ou por um rotor com vários estágios axiais seguidos por um último estágio centrífugo. O compressor axial permite obter altas vazões de ar, até 700 kg/s, e eficiência isoentrópica muito boa, valores típicos entre 85 a 90 %, sendo por isso empregado em praticamente todas as turbinas a gás de médio e grande porte. Um inconveniente do compressor axial é a de apresentar faixa operacional pequena, entre os limites de surge e choke, o que exige cuidados especiais para evitar o surge durante os períodos de partida e/ou aceleração.


Seção I - 6


O compressor de ar é o componente da turbina responsável pelo aumento da pressão do ar no ciclo Brayton e é acionado pela turbina do gerador de gás. O compressor axial é empregado nestes casos por ser especificado para maiores vazões do que os centrífugos com relação ao porte. Seu princípio de funcionamento é o da aceleração do ar com posterior transformação em pressão. É composto por uma seção estacionária, onde se encontram instalados os anéis com aletas estatoras e a seção rotativa composta por um conjunto de rotores com palhetas. Cada estágio de compressão é composto por um rotor com palhetas e um anel com aletas estatoras. O rotor com palhetas é responsável pela aceleração do ar, como um ventilador. É nesta etapa que o ar recebe trabalho para aumentar a energia de pressão, velocidade e temperatura. O anel de aletas estatoras tem a finalidade de direcionar o ar para incidir com um ângulo favorável sobre as palhetas do próximo estágio rotor e promover a desaceleração do fluxo de ar para ocorrer a transformação da energia de velocidade em pressão. Essas máquinas são projetadas para que a velocidade na entrada de cada rotor seja a mesma para a condição de máxima eficiência. Este processo é repetido nos estágios subsequentes do compressor sendo que cada estágio promove um pequeno aumento de pressão. O fluxo de ar no compressor se dá paralelo ao eixo ( axial ) numa trajetória helicoidal, e a seção de passagem é reduzida da admissão para descarga, com o propósito de se manter a velocidade do ar constante dentro da faixa de operação, uma vez que a pressão sobe a cada estágio e respectivamente a massa específica (veja a equação da continuidade). O ganho de pressão e as variações de velocidade a cada estágio podem ser vistos nas figuras a seguir.


Seção I - 7


As aletas estatoras do último estágio agem como pás guias de saída, que direcionam o ar em um fluxo axial estabilizado para a carcaça traseira do compressor e seção de combustão. O compressor é projetado para operar com alta eficiência em altas rotações. Para manter o fluxo de ar estabilizado à baixa rotação, tem-se instalado, na entrada de ar, um conjunto de aletas móveis guias de entrada (IGV - Inlet Guide Vanes), que automaticamente, altera o ângulo de ataque das palhetas para o primeiro rotor. A eficiência é gradualmente aumentada de acordo com o aumento da rotação. As válvulas de sangria estão instaladas para prevenir o surge em baixas rotações. O conjunto I.G.V e válvulas de sangria fazem parte do sistema de controle do fluxo de ar da turbina. A proteção quanto ao surge se dá através de válvulas de alívio instaladas nos últimos estágios, que ficam abertas aliviando para atmosfera durante a fase de aceleração e parada do compressor. 3.2- COMBUSTOR A combustão em uma turbina a gás é um processo contínuo realizado a pressão constante. Um suprimento contínuo de combustível e ar é misturado e queimado à medida que escoa através da zona de chama. A chama contínua não toca as paredes da camisa da câmara de combustão, sendo estabilizada e modelada pela distribuição do fluxo de ar admitido, que também resfria toda a câmara de combustão. Podem ser queimadas misturas com larga faixa de variação da relação combustível - ar, porque a proporção combustível - ar é mantida normal na região da chama, sendo o excesso de ar injetado a jusante da chama. O projeto da câmara de combustão deve garantir resfriamento adequado da camisa, combustão completa, estabilidade da chama e baixa emissão de fumaça, monóxido de carbono, hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio. O volume da câmara de combustão é muito pequeno em relação à taxa de liberação de calor desenvolvida, porque a combustão é feita a pressão elevada: em turbinas aeronáuticas este volume pode ser de apenas 5 % do volume que seria necessário em uma caldeira com a mesma taxa de liberação de calor.


Seção I - 8


O combustor usado em uma turbina a gás pode ser: tubular, tubo-anular, anular ou externo. O combustor tubular é usado em turbinas industriais de médio grande porte, especialmente em projetos europeus, e em algumas turbinas, automotivas ou auxiliares, de pequeno porte. Apresentam como vantagens: simplicidade de projeto, facilidade de manutenção e vida longa devida às baixas taxas de liberação de calor. Podem ser de fluxo direto ou de fluxo reverso. Em turbinas aeronáuticas, onde a área frontal é importante, os combustores empregados são do tipo tubo-anular ou anular. Estes combustores produzem uma distribuição circunferência de temperaturas bastante uniforme na entrada do primeiro estágio da turbina. Embora seja de desenvolvimento mais difícil, o combustor anular é o mais empregado em turbinas aeronáuticas modernas, devido à sua compacidade. Combustores anulares são particularmente adequados para aplicações a altas temperaturas ou com gases de baixo poder calorífico, porque exigem menos ar de resfriamento, devido à menor área superficial da camisa. A quantidade de ar de resfriamento requerida pelo combustor é particularmente importante em aplicações com gases de baixo poder calorífico, porque estes gases exigem muito ar primário, sobrando pouco ar para resfriamento da câmara. Os combustores anulares são usualmente de fluxo direto, enquanto os tubo-anulares são normalmente de fluxo direto em turbinas aeronáuticas e de fluxo reverso em turbinas industriais. 3.3- RODA DE TURBINA A roda de turbina é o meio mais eficaz para transformar a energia contida em um fluxo de gás a alta pressão e temperatura em trabalho no eixo. O gás ao escoar através da turbina perde pressão e temperatura, à medida que se expande e transforma sua energia em trabalho. As turbinas empregadas em turbinas a gás são na grande maioria do tipo axiais por apresentarem maior eficiência isoentrópica, variando entre 75 e 90 %. Ao contrário dos compressores axiais, antecede as palhetas da roda da turbina as palhetas estatoras que tem a finalidade de direcionar o fluxo de gás num ângulo favorável de ataque nas palhetas rotoras e proporcionarem o efeito bocal para que o fluxo aumente a velocidade.


Seção I - 9


A turbina pode ser equipada por vários estágios de palhetas estatoras e rotoras a depender da aplicação ou projeto, lembrando que as palhetas estatoras são fixadas a carcaça da turbina e as rotoras as rodas, que por conseguinte são fixadas ao eixo. De qualquer forma a energia extraída pela roda de turbina é transmitida ao eixo que por sua vez transfere para o compressor de ar, proporcionando assim a compressão de um volume de ar para a câmara de combustão fechando o ciclo de funcionamento. Para aplicação industrial os gases gerados pela turbina a gás é direcionado por meio de uma peça de transição para uma turbina de potência, que é um conjunto de estágios de palhetas estatoras e rotoras com a finalidade de extrair potência dos gases gerados pela turbina a gás ou gerador de gás. Essa energia é transmitida para o equipamento acionado através de um eixo utilizado um redutor de velocidade ( gerador elétrico ) ou um multiplicador ( compressores ).

As primeiras turbinas a gás fabricadas para aplicação industriais eram máquinas de construção pesada, com projeto largamente derivado das práticas utilizadas na construção de turbinas a vapor. Estas máquinas deram origem às atualmente chamadas turbinas industriais para serviço pesado (industrial heavy duty gas turbines). E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE

Seção I - 10


Essas turbinas têm como principais características: potência elevada; projetos com pouca restrição quanto a peso e tamanho; carcaças pesadas de partição horizontal; mancais de deslizamento; combustores de grande diâmetros boa durabilidade e fácil acesso para inspeção e manutenção; palhetas de seção espessa; compressores e turbinas axiais com muitos estágios; baixo nível de ruído, devido às baixas velocidades de admissão de ar normalmente empregadas em seu projeto; baixa relação de compressão por estágio, propiciando larga faixa de operação estável do compressor. Suas principais vantagens são: longa vida útil, grande confiabilidade operacional, boa eficiência térmica e baixo nível de ruído. Suas principais desvantagens são peso e tamanho. As turbinas derivadas de aviação tem portanto dois componentes básicos: o gerador de gás e a turbina de potência. O gerador de gás é uma turbina aeronáutica adaptada para queimar combustível industrial. A turbina de potência é projetada e fabricada pelo chamado fornecedor do pacote. Esse é responsável pelo fornecimento, montagem e testes do conjunto completo, que inclui, além do gerador de gás e da turbina de potência, todos os acessórios e sistemas auxiliares, tais como: base e suportes, sistemas de óleo, sistema de combustível, instrumentação, sistemas de proteção e controle, painéis, filtros de ar, dutos de admissão e descarga, silenciadores, proteção acústica. O fornecedor normalmente entrega ao comprador o pacote totalmente montado e testado em sua fábrica. São características importantes das turbinas derivadas de aviação: facilidade de instalação e comissionamento, boa adaptabilidade a controle remoto, planejadas para a manutenção em oficina.


Seção I - 11


Apendice A Seção 1 – CICLOS TERMODINÂMICOS DA TURBINA A GÁS

a) CICLOS IDEAIS A análise dos ciclos ideais e de turbinas a gás podem ser encontrados em diversos textos clássicos de termodinâmica e somente um breve resumo será apresentado. No caso de ciclo ideal, serão adotados as seguintes hipóteses simplificadoras : • • • • • •

Compressão e expansão isoentrópicas; Desprezadas as perdas de carga nos dutos de sucção , descarga e câmara de combustão; não há perdas de calor pelas paredes da turbina; Gás perfeito; Vazão mássica constante ao longo do ciclo; Fluxo unidimensional.

O Ciclo Brayton A turbina a gás é um dispositivo que converte calor em trabalho. O ciclo ideal é o Brayton cujo processo consiste em três principais etapas: compressão do ar, adição de calor ao fluxo de ar (combustão) e a expansão, conforme é mostrado nas figuras a seguir:

Combustível

gases de exaustão 4 2

1

3

compressor

Ar

volume de controle

Câmara

Turbinas

Potência Líquida

Turbina que opera segundo o ciclo Brayton em um volume de controle •

• • • •

Ao usarmos um volume de controle em torno da turbina, podemos afirmar baseado na 1a Lei da termodinâmica, que toda a energia que entra na turbina é igual a energia que sai da mesma: Q1 = vazão mássica de ar x calor específico do ar x T1 Qc = vazão mássica do combustível x Poder calorífico do combustível (lhv). Qe = vazão mássica dos gases de exaustão x calor específico dos gases da exaustão x T4

W = Potência líquida (útil) na ponta do eixo da turbina


Seção I - 12


Considerando-se que a vazão de combustível é desprezível, se comparada com a vazão de ar, esta pode ser considerada constante ao longo da turbina. Outras perdas de calor por radiação e perdas mecânicas em mancais , selos e acessórios são aqui desprezadas e é assumido que o calor específico do ar permanece constante. Colocando-se um volume de controle em torno da turbina, conforme é mostrado no esquema acima, pode-se escrever que sua a eficiência é: •

ηt

=

W Qc P2 combustão (pressão cte)

T

3

2

expansão P1

compressão 4 1 S

Ciclo aberto teórico da turbina a gás

Mas olhando-se, para a variação de energia que ocorre em cada etapa do ciclo da turbina a gás que são : compressão , combustão e a expansão que ocorre nas turbinas, podemos escrever: ηt

=

W cp(t 3 − t 4) − cp (t 2 − t1) t 4 − t1 = = 1t3 − t2 Qc cp(t 3 − t 2)

e,

introduzindo-se a relação isoentrópica entre pressão e a temperatura de um gás ideal k

p2  t 2  k −1 que é =  , onde K é o coeficiente isoentrópico, temos que a máxima  p1  t1  eficiência que pode ser obtida em um ciclo ideal de Bryton é: k

ηt

máximo = 1-

  

t1 p2  k −1 = 1 p1  t2

A eficiência do ciclo de uma turbina a gás e fortemente influenciado pela razão de compressão (p2/p1), no compressor de ar . Se aumentarmos a pressão através do compressor o rendimento global da turbina a gás irá aumentar em função do aumento da temperatura T3, que por sua vez é limitante por considerações metalúrgicas das partes quentes da máquina. Na realidade, esta eficiência dificilmente irá exceder 55%, em função do rejeito térmico na exaustão da máquina, porque a temperatura de descarga é significativamente maior que a temperatura ambiente. Assim, uma parte considerável da energia do combustível colocada na câmara de combustão não poderá ser aproveitada dentro do ciclo Brayton.


Seção I - 13

Rendimento %


100 80 60 40 20 0 0

2

4

6

8

10

12

14

Relacão de pressão P2 / P1 Rendimento do Ciclo de Brayton em função de P2 / P1

Outra consideração que podemos fazer pelo diagrama T x S, do ciclo de Bryton, é que a adição de calor na câmara de combustão, tem uma proporcionalidade direta com o trabalho útil produzido. Desta forma, quanto maior for a temperatura na câmara de combustão (t3), para uma mesma vazão mássica de ar, maior será a potência disponível na ponta do eixo da turbina. a) CICLOS REAIS Denominamos ciclo real, aquele em que a compressão e a expansão são considerados como transformações irreversíveis. Nas transformações reais ocorre aumento de entropia, mesmo sem que haja intercâmbio de calor entre o sistema e o exterior. O desempenho dos ciclos reais diferem consideravelmente do desempenho dos ciclos ideais pelas seguintes razões: • Os processos de compressão e expansão são irreversíveis, envolvendo, portanto, aumento de entropia; • Há perdas de pressão devido ao atrito de fluido nas câmaras de combustão e dutos de admissão e exaustão; • Há necessidade de incremento no trabalho de compressão a fim de compensar o atrito nos mancais e acionamento de equipamentos auxiliares ( offtakes); • Os valores de cp e γ do ar variam ao longo do ciclo devido às variações de temperatura e, no caso de combustão, devido a alterações na composição química; • À primeira vista pode parecer que a vazão mássica através da turbina é maior do que a do compressor devido a injeção de combustível. Na prática, de um a dois por cento do ar comprimido é retirado com o propósito de refrigerar os discos e as palhetas das partes quentes. Além disso, a relação combustível/ar é da ordem de 0,01 a 0,02. Desta forma, para cálculos preliminares, é possível assumir que a vazão mássica através do compressor de ar é igual as das turbinas. Cumpre observar que turbinas aeronáuticas de última geração , operam com temperaturas na turbina de alta pressão (HP) elevadas, o que demanda maior quantidade de ar para refrigeração. Neste caso, a aproximação de vazão constante ao longo da turbina seja constante, não é correta em caso de avaliação precisa. A qualidade da compressão e da expansão depende, em grande parte do projeto aerodinâmico do compressor, das turbinas e da fabricação. Como, em termos práticos, é impossível obter-se compressão e expansão isoentrópicas ( fricção e atritos intermoleculares estão presentes), são utilizados parâmetros denominados rendimentos isoentrópicos para definir a potência útil e o rendimento térmico do ciclo.


Seção I - 14


Pressão

T

3 Expansão 2’

2 4 compressão 1

4’ ciclo teórico ciclo real

Efeito das ineficiências sobre o ciclo da turbina a gás •

S

Eficiência Isoentrópica de compressão. (ηIC)

Vimos, no caso dos ciclos ideais que compressão e expansão ocorrem sem perdas. A realidade, porém, é diferente e durante os processos termodinâmicos que ocorrem na turbina a gás ocorre incremento de entropia . Para o diagrama temperatura x entropia, que considera as ineficiências sobre um ciclo , se analisarmos isoladamente o compressor, temos:

CW ideal = m .Cp .( t 2 ' − t1) ; CW real = m .Cp .( t 2 − t1); então: h

IC

•

=

CW ideal m .Cp .( t 2 ' − t1) t 2 ' − t1 = = CW real m .Cp .( t 2 − t1) t 2 − t1 ;

Eficiência Isoentrópica da Expansão (ηIE) ;

De modo análogo ao compressor, existem perdas relacionadas ao processo de expansão realizado pela turbina. Estas perdas resultam num decremento do trabalho disponível para uma dada vazão de compressão. Assim, analisando este processo para a expansão da turbina, temos:

EW ideal = m ( h 3 − h 4 ' ) = m .Cp .( t 3 − t 4 ' ); CW real = m ( h 3 − h 4 ) = m .Cp .( t 3 − t 4 ); então: h

IE

=

EW real m .Cp .( t 3 − t 4 ) t3 − t4 = = ; EW ideal m .Cp .( t 3 − t 4 ' ) t 3 − t 4 '


Seção I - 15

BÁSICO DE TURBINAS A GÁS •

Eficiência de Combustão

O processo de combustão não é perfeito. Há formação de fuligem , Co, etc., além de hidrocarbonetos não queimados. Portanto, o aumento de temperatura será inferior àquele obtido se todo combustível fosse queimado. Eficiências típicas de combustão situam-se por volta de 98%. •

Outras perdas

Outras perdas de potência inerentes a uma turbina a gás são as perdas mecânicas que ocorrem nos mancais e selos , bem como a potência que é retirada diretamente no seu eixo para o acionamento de bomba mecânica de óleo lubrificante. Os fabricantes de turbinas a gás métodos matemáticos computacionais para o projeto de turbinas a gás e definir as curvas de performance esperada. Apesar disto, o ciclo real de uma turbina a gás requer o prévio conhecimento das eficiências da compressão e expansão isoentrópicas, das perdas de pressão na câmara de combustão e nos dutos de sucção e descarga , bem como a eficiência de combustão. Estes dados são obtidos por testes experimentais ou análise computacional de dinâmica dos fluidos. Os valores a seguir são típicos de eficiências empregadas em turbinas a gás modernas: Dutos de sucção e filtro de ar ηsucção ≈ 99% Compressor axial η IC ≈ 90% Câmara de combustão ηCC ≈ 98% Turbinas η IE ≈ 90% Sistema de exaustão ηexaustão ≈ 99% Eficiência mecânica ηmecãnica ≈ 99%


Seção I - 16


Apendice B Seção 1 - TERMODINÂMICA BÁSICA 1.1 - Termodinâmica básica Para uma perfeita compreensão do princípio de funcionamento, definiremos, a seguir, alguns conceitos de termodinâmica básica: Grandezas VELOCIDADE - É uma grandeza que corresponde a relação entre o espaço percorrido e tempo gasto para percorre-lo. É dividida em velocidade escalar e vetorial. A escalar expressa o valor, enquanto a vetorial expressa o valor e o sentido.

r ∆e v= ∆t ACELERAÇÃO - É a grandeza vetorial que corresponde a variação da velocidade no tempo.

r ∆v a= ∆t TEMPERATURA - É a sensação de quente ou frio. Representa o grau de agitação das moléculas. MASSA - É a quantidade de matéria. IMPULSO - É o produto da massa pela velocidade. É a propriedade de um corpo em movimento que determina o período de tempo requerido para traze-lo à condição de repouso sob ação de uma força constante. FORÇA - É um agente capaz de produzir ou cessar um movimento. PRESSÃO - É a relação entre uma força e a área na qual ela está atuando. Também pode ser definida como sendo o número de choques das moléculas nas paredes de um recipiente por unidade de tempo. Leis de Newton 1 °.LEI - Um corpo em repouso tende a permanecer em repouso, um corpo em movimento tende a permanecer em movimento. A resultante de forças em um corpo é igual a 0 (zero) quando o corpo estiver em repouso ou em movimento retilíneo uniforme. 2 °.LEI - A força agindo sobre um corpo produz uma aceleração cuja direção é a mesma da força aplicada e sua amplitude é proporcional a força e inversamente proporcional a massa do corpo.

r r F a= m

3 ° .LEI- A toda ação corresponde uma reação, igual, mas oposta. E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE

Seção I - 17


Energia É a capacidade de realizar trabalho. Se divide em energia cinética e energia potencial. ENERGIA CINÉTICA (Ev) - É a energia que um corpo possui quando em movimento. ENERGIA POTENCIAL DE ALTURA (Eh) - É a energia que um corpo possui em função da altura em que ele se encontra. ENERGIA POTENCIAL DE PRESSÃO (Ep) - É a energia que um fluido possui quando submetido a uma pressão. ENERGIA INTERNA (u) - É a energia potencial do fluido associada a sua temperatura. TRABALHO (W) - É a energia associada ao deslocamento de uma partícula. Todo deslocamento de um corpo necessita de trabalho para se realizar. CALOR (Q) - Energia térmica em trânsito no sentido da maior para menor temperatura. ENTALPIA (h) - É o nível energético em que um fluido se encontra. Podemos dizer que é a soma da energia de pressão com a energia interna. ENTROPIA (S ) - É uma variável matemática que expressa a energia relacionada ao grau de afastamento em que um processo se realiza em comparação a idealidade. Propriedades do Fluído MASSA ESPECÍFICA (r) - É a relação entre a massa e volume do fluido.

m r = v VISCOSIDADE ( µ) - É a propriedade que representa a maior ou menor facilidade do fluido em escoar. PESO MOLECULAR (PM) - É a massa de um mol de uma substância (1 mol eqüivale a 6,023 x 1023 moléculas). Um mol de qualquer gás ocupa 22,4 litros na Condições Normais de Temperatura e Pressão (C.N.T.P.) ( 0 oC e 1 atm). FATOR DE COMPRESSIBILIDADE (Z) - É o fator empregado para corrigir o volume do gás real com relação ao volume do gás ideal, nas mesmas condições de pressão e temperatura.

Z =

Vr Vi

CALOR ESPECÍFICO (c) - É o coeficiente que indica o grau de dificuldade de troca térmica. É o calor necessário para que uma grama de um fluido varie de 14,5 oC para 15,5 oC. Para a água, o calor específico é 1 cal/g oC.


Seção I - 18


Para o gás, tem-se dois calores específicos: - Calor específico a volume constante ( cv ) - É o calor necessário para que uma grama de um gás varie 1°C, mantendo seu volume constante. - Calor específico a pressão constante ( cp ) - É o calor necessário para que uma grama de um gás varie 1°C, mantendo sua pressão constante. Ao se aquecer um gás a volume constante a temperatura sobe mais rápido do que a pressão constante, pois neste caso, além da temperatura subir, uma parte do calor cedido é transformado em trabalho no deslocamento das moléculas para se manter a pressão. Com isso a variação de temperatura é menor. Sendo assim o calor necessário para aquecer um gás a pressão constante é maior do que a volume constante.

C

p

>

C

v

COEFICIENTE ISOENTRÓPICO (K) - É a relação entre o cp e o cv. Expressa a maior ou menor facilidade que um gás tem em ser comprimido. Quanto maior o K mais trabalho é demandado para a compressão.

k =

cp cv NOTA As propriedades do fluido se alteram ao serem alteradas as condições de pressão e temperatura, sendo que o peso molecular é o único que não se altera.

Equação universal dos gases A pressão do gás em um recipiente é diretamente proporcional a temperatura, ou seja, quanto maior a temperatura maior a pressão e vice-versa. Ex: Ao se deixar um botijão de gás exposto ao sol, sua temperatura irá aumentar, proporcionando o aumento da pressão. A pressão do gás é inversamente proporcional ao volume, ou seja, quanto maior o volume menor a pressão e vice-versa. Ex: A bomba manual utilizada para encher pneu de bicicleta. Ao ser reduzido o volume para deslocar o ar, a pressão sobe. A pressão do gás é diretamente proporcional ao número de moléculas (n) em um dado recipiente. Analisando-se conjuntamente as três condições temos: Pressão (P) é diretamente proporcional ao produto de n e da temperatura (T) e inversamente proporcional ao volume específico (V).


Seção I - 19


Para obtermos uma equação temos que utilizar uma constante para correção das unidades, é a constante universal dos gases (R), que possui vários valores, a depender das unidades utilizadas.

P=

n. R. T ⇔ P.V = n. R. T V NOTA As unidades de pressão e temperatura utilizadas devem estar em valores absolutos.

.

Equação da continuidade A vazão de um fluido em escoamento é o produto da seção transversal (S) com a velocidade do fluido (v).

Q = r . S. v Com base nesta equação podemos concluir que para uma vazão constante, se ocorrer uma redução da seção transversal a velocidade é aumentada e vice-versa.

Leis da termodinâmica LEI ZERO DA TERMODINÂMICA Retrata a existência da temperatura e estabelece o zero absoluto, onde as moléculas se encontram inertes. São as escalas kelvin (K) e Rankine (R). 1 ° LEI DA TERMODINÂMICA Retrata a conservação da energia, onde fica esclarecido que a energia total do fluido não se altera sem interação com o meio. E o meio somente interage com o sistema (fluido) através do calor ou trabalho. Podemos dizer, que ao se aquecer um fluido e o mesmo realizar trabalho (está recebendo calor e cedendo trabalho) a diferença entre o calor recebido e o trabalho cedido é a variação da energia total do fluido. É o que fica efetivamente com o fluido.

Q + W = Et 2 − Et1 Sendo

Et = Ep + Ev + u + Eh Como exemplo temos, que, ao se aquecer isobaricamente o gás num cilindro, a temperatura irá aumentar e o gás irá se expandir realizando trabalho ao deslocar o êmbolo. A diferença entre o calor recebido e o trabalho realizado pelo gás é a variação da energia total do gás. E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE

Seção I - 20


2 ° LEI DA TERMODINÂMICA Retrata a existência da máquina térmica, onde fica estabelecido que se pode extrair trabalho de uma máquina que possua uma fonte quente ( alta temperatura ) e uma fonte fria ( baixa temperatura ). Quanto maior a diferença de temperatura entre as duas fontes, maior será o trabalho extraído. Efeito difusor e efeito bocal Para fluxo subsônico, ao se analisar o escoamento de um fluido numa tubulação, verifica-se que onde a seção transversal é aumentada, a velocidade é reduzida e viceversa. Nestas situações, ao se analisar as energias do fluido, verifica-se que, se a energia de velocidade é aumentada, outro tipo de energia tem que ser reduzida, pois a soma das parcelas de energia de velocidade, pressão, altura e temperatura não se altera, com base na primeira lei da termodinâmica. Isso significa que o fato da redução ou ampliação da seção transversal da tubulação, na qual o fluido escoa, não provoca nenhuma de calor ou trabalho, mantendo-se constante a energia total. Como exemplo analisaremos o escoamento de um líquido numa tubulação num mesmo plano horizontal, onde se tem uma redução da seção transversal. Neste caso:

Q = r . S. v para líquidos ρ varia pouco e como S foi reduzido, a velocidade é aumentada, pois a vazão é constante. Analisando a equação de conservação de energia:

Et = Ep + Ev + u + Eh onde Et permanece inalterada e considerando que: •

u é constante, pois não há alteração da temperatura,

•

Eh é constante, pois não há alteração da altura,

•

Ev aumenta pois a velocidade aumentou,

•

Concluímos que:

•

Ep diminui ou seja, a pressão cai


Seção I - 21


Seção II SISTEMAS AUXILIARES • • • • • • • •

SISTEMA DE AR DE COMBUSTÃO CAIXA ACÚSTICA (HOOD) SISTEMA DE AR DE VENTILAÇÃO SISTEMA DE ÓLEO LUBRIFICANTE SISTEMA DE ÓLEO DE COMANDO SISTEMA DE PARTIDA SISTEMA DE COMBUSTÍVEL SISTEMA DE CONTROLE DE FLUXO DO AR


.

Seção II - 1


INTRODUÇÃO

As informações, contidas neste trabalho, são oriundas dos manuais de operação e manutenção fornecidos pelos diversos fabricantes e empacotadores de turbomáquinas. O objetivo destas anotações é familiarizar o treinando com as características gerais dos principais sistemas auxiliares que permitem o funcionamento de uma turbina a gás utilizada na área industrial, como também apresentar a filosofia de sequenciamento, intertravamento e controle da turbina a gás. Observação: Os diversos valores de pressão, temperatura, etc. informados, ao longo da apostila, são valores típicos encontrados em diversos pacotes com turbina a gás.

SISTEMAS AUXILIARES SISTEMA DE AR DE COMBUSTÃO

SISTEMA DE VENTILAÇÃO DO HOOD

SISTEMA DE ÓLEO LUBRIFICANTE

SISTEMA DE GÁS COMBUSTÍVEL


SISTEMA DE CONTROLE DE VAZÃO DE AR

SISTEMA DE PARTIDA

SISTEMA DE ÓLEO HIDRÁULICO

Seção II - 2


SISTEMA DE AR DE COMBUSTÃO FUNÇÃO: Fornecer ar atmosférico filtrado, com grau de impureza ,umidade e características controlados. Conduzindo o ar ao compressor da turbina e, também conduzir os gases da descarga para a atmosfera ou para o sistema de recuperação, conforme a configuração do sistema, com menor ruído e mínimas perdas de cargas possíveis.


Seção II - 3


CONSTITUIÇÃO DO SISTEMA: •

CAIXA DE FILTRAGEM: A principal função é eliminar as partículas superiores a 1 micra e desumidificar o ar externo e, consequentemente o sal que está em solução iônica na água. Este ar deve ser suficientemente puro para evitar incrustação, erosão, deterioração e corrosão dos componentes internos da turbina, principalmente as palhetas estatoras e rotoras do compressor de ar e das turbinas, como também evitar o entupimento dos canais de refrigeração das aletas e palhetas da turbina. Normalmente feita de aço carbono ou aço inox.

A caixa, em geral, é constituída de: - Filtros §

TELAS : Usada para a retenção de insetos.

§

VENEZIANAS : Proteção contra chuva e impacto de objetos de grande dimensões.

§

ESTÁGIO(S) DO TIPO INERCIAL : Elimina as partículas pesadas e gotas de água. A eficiência é diretamente proporcional a velocidade do fluxo do ar.

§

ESTÁGIO(S) DO TIPO COALESCENTE : Coalesce a umidade e retém as partículas maiores que 8 a 10 micras, com eficiência de 90%. Formado por fibras sintéticas.

§

SISTEMA DE RECOLHIMENTO DE ÁGUA : Recolhe a água retira nos primeiros estágios, com sifões para evitar a entrada de ar pelo mesmo.

§

ESTÁGIO DO TIPO ALTA EFICIÊNCIA : Retendo as partículas iguais ou maiores que 1 micra, com eficiência de 90%. Normalmente são usados filtros tipo bolsa.


Seção II - 4


- JANELAS BY-PASS : Abre evitando a excessiva pressão negativa, devido a alta perda de carga quando os filtros estão muitos sujos, evitando danos no Gerador de Gás (GG) caso este succione os dutos e/ou filtros. •

DUTO DE ADMISSÃO: Este duto conduz o ar, reduzindo a seção que é grande no filtro, para a entrada do compressor do Gerador de Gás. Sendo revestido acusticamente (para evitar a propagação dos ruídos de alta freqüência devido a aspiração). Deve ser inspecionado regularmente, principalmente na parte interna, para poder verificar a sua integridade e o perfeito estado de limpeza. DUTO DE ESCAPE: Este duto elimina os gases “queimados” da turbina para a chaminé e/ou algum sistema de recuperação de calor. Suportando a alta temperatura dos gases de escape (400 a 500 ºC),. O duto é normalmente constituído em aço carbono refratário ou de aço inox, revestido de lã de rocha, para proteção acústica e térmica, com externa de chapa de aço inoxidável. Fotos de elementos de filtro :


Seção II - 5


• E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE

Seção II - 6

BÁSICO DE TURBINAS A GÁS • •

JUNTA DE COMPENSAÇÃO (EXPANSÃO):

São usadas várias juntas. Com a finalidade de absorver os deslocamentos radiais e axiais entre caixa de filtragem, silenciador, duto(s) de entrada, turbina, duto(s) de saída, silenciador e recuperador, eliminando a transmissão de vibração de uma parte para a outra. •

SILENCIADORES:

Reduzir o nível de ruído devido a passagem, em alta velocidade, do ar na sucção e dos gases na descarga. •

INSTRUMENTAÇÃO:

Os instrumentos típicos são: INDICADORES (PDI) E/OU TRANSMISSORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL (PDT): Indica a perda de carga do sistema de filtragem, ou seja, o nível de sujeira dos elementos filtrantes, definido a necessidade de lavagem e/ou troca dos elementos.

A medição da perda de carga no duto de sucção versus a rotação do Gerador de Gás corrigida pela temperatura do ar na sucção permite definir o nível de sujeira do compressor de ar. PRESSOSTATO DE PRESSÃO DIFERENCIAL (PDSH): Permite o alarme e/ou shutdown devido a alta perda de carga nos elementos filtrantes. MICRO-SWITCHES (ZSH) : Instalados nas janelas de by-pass, indicando a sua abertura. SENSORES DE GÁS : Utilizados a quando a sucção da turbina estar instalada em área classificada. Calibrados em 10% do LIE (Limite Inferior de Explosividade) para alarme e 20% para o shutdown da turbomáquina. Preferência para os sensores infra-red.


Seção II - 7

BÁSICO DE TURBINAS A GÁS CAIXA ACÚSTICA (HOOD):

FUNÇÃO: É um invólucro para isolar a turbina, tendo como principal função a proteção acústica diminuindo o ruído até níveis aceitáveis, máximo de 85 D.B. a 1 metro do hood. Como funções secundárias temos a proteção térmica e o aumento da eficiência no combate a incêndio. CONSTITUIÇÃO DO HOOD: •

PAREDES: CHAPA EXTERNA : De aço carbono pintada ou de aço inox. CAMADA DE MATERIAL ANTI-VIBRATÓRIO E DE INSONORIZAÇÃO : Na parte interna da chapa. CAMADAS DE LÃ DE ROCHA: Lã de rocha de diferentes densidades, insonorizantes e anti-inflamáveis. PELÍCULA DE PROTEÇÃO : Contra respingos de óleo e hidrocarbonetos diversos, resistindo às temperaturas máximas do invólucro. CHAPA PERFURADA : De aço inoxidável.

•

PORTAS: Duas a quatro grandes para manutenção e diversas portas menores de acesso com abertura anti-pânico e visor.

•

RESISTÊNCIA DE AQUECIMENTO: Aquece o interior do hood diminuindo a umidade quando a máquina está em stand-by.

ANOTAÇÕES


Seção II - 8


SISTEMA DE AR DE VENTILAÇÃO FUNÇÃO Retira o calor, dissipado pelo processo de combustão na câmara do Gerador de Gás, da caixa acústica, mantendo a temperatura inferior a 60/70 ºC, evitando danos aos equipamentos (eletrônicos ou não) instalados no interior do hood. Integrado ao sistema de ar de ventilação temos o sistema de detecção de fogo e gás. CONSTITUIÇÃO DO SISTEMA: •

FILTRO: Ou utiliza os mesmos filtros do sistema de ar de combustão ou filtro independente, neste caso normalmente formado de um estágio do tipo coalescente.

•

DUTO DE ENTRADA E SAÍDA: Conduz o ar filtrado ao interior do casulo e exaure o ar aquecido para uma área segura.

•

DAMPERS: Instalados nos dutos de entrada e saída do ar de ventilação da caixa acústica. São fechados em caso de disparo de CO2, quando da detecção de fogo.

•

VENTILADORES: Instalados no duto de entrada (pressão positiva) ou no duto de saída do hood (pressão negativa), forçando a circulação do ar com a conseqüente retirada do calor dissipado pela turbina a gás.

•

JANELAS ANTI-RETORNO: Instalado a saída ou entrada do ventilador evitando a recirculação do ar caso o ventilador esteja parado com os outros em funcionamento.


Seção II - 9


GARRAFAS DE CO2 OU PÓ QUÍMICO Permitir a extinção do fogo. No caso de hood utiliza-se o CO2, caso contrário utiliza-se o pó químico.

•

INSTRUMENTAÇÃO: Os instrumentos típicos são: INDICADOR (PDI) E/OU TRANSMISSOR DE PRESSÃO DIFERENCIAL (PDT): Informa a pressurização ou despressurização do casulo em relação a atmosfera. INDICADOR (TI) E/OU TRANSMISSOR DE TEMPERATURA (TT): Informa a temperatura interna do hood. . TERMOSTATO DE TEMPERATURA (TSH/TSHH): Alarme e/ou trip devido a temperatura alta interna do hood. MICRO-SWITCHES NOS DAMPERS (ZSL): Indica se os dampers estão abertos, permitindo o perfeito funcionamento do sistema de ventilação. SENSORES DE GÁS: Instalados, aos pares, nos dutos de entrada e saída. Calibrados em 20% do LIE (Limite Inferior de Explosividade) para alarme e 60% para o shutdown. SENSORES DE FOGO: Normalmente supervisiona pontos críticos, como o governor e manifold de combustível. Normalmente instalados aos pares, o alarme ocorrerá caso um só detecte ou o trip caso os dois detectem. SENSORES DE CALOR (TSH): Utilizados para complementar a detecção de fogo. Principalmente em lugares que os sensores de fogo não possam ser usados (sem hood em área abertas) ou de pontos de difícil observação


Seção II - 10


SISTEMA DE ÓLEO LUBRIFICANTE FUNÇÃO: Fornecer óleo na pressão (1,5 a 4 kgf/cm2) e temperatura (40 a 70 °C) adequada, permitindo a lubrificação os mancais, engrenagens da caixa de acessórios, caixa multiplicadora ou redutora e equipamento acionado; e o resfriamento dos mancais da parte quente, principalmente nas máquinas heavy-duty durante a fase de pós-lubricação após a parada da máquina. O controle da pressão e temperatura do óleo, dentro do range operacional admissível pela turbomáquina, é importante para a integridade dos mancais e consequentemente os rotores (devido as folgas extremamente apertadas), evitando intervenções precoce. Tanto a alta como a baixa temperatura altera a viscosidade e consequentemente prejudica a lubrificação e retirada do calor dos mancais, isto também ocorre caso haja alteração da pressão, principalmente no mancal tipo “tilt-pad”, cuja a alteração da cunha de óleo acarreta o aumento da vibração. OBSERVAÇÃO: O óleo usado no sistema de óleo lubrificante das turbinas industriais é o mineral (tipo Lubrax TR-46), nas turbinas aero-derivadas, além do sistema de óleo lubrificante mineral temos um sistema de óleo lubrificante exclusivo para o GG que utiliza o óleo sintético. A constituição de ambos os sistemas são semelhantes. CONSTITUIÇÃO DO SISTEMA:


Seção II - 11


•

RESERVATÓRIO DE ÓLEO: No sistema com óleo mineral o tanque tem grande capacidade, sendo este de 4.000 a 20.000 litros, principalmente se o mesmo tanque atende também ao sistema de óleo de selagem dos compressores de gás. O volume do tanque de óleo sintético é de 300 a 500 litros. Os reservatórios são feitos de aço carbono ou inox e possuem suspiro para ventar os vapores sendo, as vezes, equipados com recuperadores de névoa.

•

BOMBAS: Fornece o óleo ao sistema com pressão adequada. No sistema de lubrificação com óleo sintético normalmente encontramos duas bombas e no sistema com óleo mineral são três, a saber: BOMBA PRINCIPAL: Bomba existente em ambos os sistemas e normalmente é acionada mecanicamente, através da caixa de acessórios, pelo Gerador de Gás (GG) ou pela Turbina de Potência (PT). Funciona durante toda a fase da operação da turbina.

BOMBA AUXILIAR (PRÉ-PÓS LUBRIFICAÇÃO): Bomba existente no sistema com óleo mineral e é acionada por motor de corrente alternada, funciona durante a fase de prélubrificação (antes e durante a partida) e na fase de parada e pós-lubrificação. BOMBA DE EMERGÊNCIA (BAKCUP OU RESERVA):: Bomba existente no sistema com óleo mineral e é acionada por motor de corrente continua, fornecida por banco de baterias, funciona durante a fase de parada e pós-lubrificação caso a bomba auxiliar não pressurize o sistema adequadamente. BOMBAS SCAVENGE: Bomba existente em turbina aeroderivada acionada, através da caixa de acessórios, pelo Gerador de Gás (GG). Tem como função retirar o óleo da caixa do mancal. •

TROCADOR DE CALOR: Normalmente são duplos com válvulas de três vias permitindo a troca/alinhamento do trocador com a turbina em operação. Os vários tipos de trocadores existente podem ser aplicados no sistema de óleo lubrificante. No trocador tipo água/óleo é importante que a pressão do óleo seja superior a pressão da água, isto evita a contaminação do óleo pela água.


Seção II - 12


•

FILTRO: São duplos com válvulas de três vias para permitir a troca em operação, os elementos são, normalmente, do tipo cartucho com capacidade de filtragem de 10 a 70 micra absolutos.

•

INSTRUMENTAÇÃO: Os instrumentos típicos são: VÁLVULAS DE ALIVIO (PSV): Normalmente instalada na saída das bombas de óleo, protegendo o sistema contra altas pressões.


Seção II - 13


INDICADORES DE PRESSÃO (PI): Informa a pressão de saída das bombas, permite a regulagem das bombas. VÁLVULA DE CONTROLE DE PRESSÃO (PCV): Controla a pressão no header de óleo, requerida pelo sistema, através do retorno do óleo para o tanque. VÁLVULA DE TEMPERATURA (TCV): Válvula de três via, permite controlar a temperatura do óleo, requerida pelo sistema, dosando o fluxo do óleo que passa de trocador de calor com o que passa por fora do trocador. INDICADOR (PDI) E/OU PRESSOSTATO DE PRESSÃO DIFERENCIAL (PDSH): Informa a pressão diferencial alta no filtro de óleo, indicado a necessidade da troca dos elementos filtrantes. INDICADOR (TI) E/OU TRANSMISSOR DE TEMPERATURA (TE): Informa a temperatura no header de óleo lubrificante. TERMOSTATO (TSH/TSHH/TSL): Alarme e/ou trip devido a alta temperatura do óleo lubrificante. Podemos encontrar também alarme devido a baixa temperatura. INDICADOR (PI) E/OU TRANSMISSOR DE PRESSÃO (PT): Informa a pressão no header de óleo lubrificante. PRESSOSTATO (PSL/PSLL): Alarme e/ou trip devido a baixa pressão no header do óleo lubrificante. TRANSMISSOR DE TEMPERATURA (TE): Do tipo RTD (PT-100) ou termopar. Instalados, diretamente, no mancal e/ou nos drenos de retorno de óleo do mancal, permitindo a supervisão individual de cada mancal.


Seção II - 14


SISTEMA DE ÓLEO DE COMANDO FUNÇÃO: Fornecer óleo na pressão (10 a 70 kgf/cm2) requerida pelos comandos hidráulicos. Este sistema também é conhecido por sistema de óleo hidráulico ou de alta pressão. Utiliza o mesmo óleo usado no sistema de óleo lubrificante. CONSTITUIÇÃO DO SISTEMA: •

BOMBA: Eleva a pressão do óleo, captando-o no header de óleo lubrificante ou diretamente do tanque.

•

FILTRO: São duplos com válvulas de três vias, os elementos com capacidade de filtragem de 3 a 30 micra absolutos.

•

INSTRUMENTAÇÃO: Os instrumentos típicos são: VÁLVULA DE CONTROLE DE PRESSÃO (PCV): Controla a pressão de óleo, requerida pelo sistema. INDICADOR (PDI) E/OU PRESSOSTATO DE PRESSÃO DIFERENCIAL (PDSH): Informa a pressão diferencial alta no filtro de óleo. INDICADOR (PI) E/OU TRANSMISSOR DE PRESSÃO (PT): Informa a pressão no header de óleo de comando. PRESSOSTATO (PSL/PSLL): Alarme e/ou trip devido a baixa pressão do óleo de comando.

SISTEMA DE PARTIDA

FUNÇÃO: O sistema de partida tem duas funções. A primeira é retirar o Gerador de Gás (GG) da inércia e leva-lo a uma determinada rotação conhecida como velocidade de purga ou de ventilação ou de crank, e o mantém nessa rotação durante a fase conhecida como fase de purga ou de purga (30 a 180 segundos) permitindo a “limpeza” interna da turbina com o ar limpo. A segunda função acontecerá durante a fase de partida, logo após a fase de purga, é auxiliar na aceleração do Gerador de Gás durante a ignição e início da formação dos gases de exaustão, até a velocidade de Idle, conhecida também como velocidade de macha lenta ou rotação de sustentação, após atingir esta velocidade o sistema de partida é desligado.


Seção II - 15


OBSERVAÇÃO: A função do sistema de partida é o mesmo em qualquer turbina a gás, porém a sua implementação física pode ser diferente para o mesmo modelo de turbina, adequando-se a necessidade do usuário.

CONSTITUIÇÃO BÁSICA DO SISTEMA: •

MOTOR DE PARTIDA: Fornece o torque necessário ao Gerador de Gás (GG), sendo os mais utilizados na Petrobras:

•

§

MOTOR ELÉTRICO + CONVERSOR DE TORQUE

§

MOTOR ELÉTRICO + BOMBA HIDRÁULICA + MOTOR HIDRÁULICO.

§

MOTOR ELÉTRICO ACIONADO POR VARIADOR DE FREQÜÊNCIA (VFD)

§

MOTOR PNEUMÁTICO

RODA LIVRE (CATRACA) / EMBREAGEM: Transmite a força somente no sentido do sistema de partida para o Gerador de Gás (GG), desaclopando mecanicamente o sistema quando a rotação do GG é maior do que a do sistema de partida.


Seção II - 16


Sistema de partida com motor elétrico.

Foto de um sistema freqüência


de partida com a aplicação de motor elétrico com variador de

Seção II - 17


SISTEMA DE COMBUSTÍVEL FUNÇÃO: Fornecer o combustível gasoso ( gás natural ) ou líquido (diesel) dentro da pressão e temperatura, vazão e características necessárias para o atendimento aos diversos regimes operacionais da turbina.

OBSERVAÇÃO: A implementação do sistema de combustível pode variar em um mesmo modelo de turbina, devido aos diversos empacotadores e necessidade do cliente. A qualidade do combustível é fundamental para a vida útil dos componentes da parte quente, contaminantes diminuem a vida útil dos injetores, câmara de combustão, peça de transição (transition piece), distribuição HP e LP e rotores HP e LP, acarretando falhas prematuras. É importante durante a fase de projeto, anterior a aquisição da turbomáquina, o envio da análise da composição do(s) combustível(eis) aos futuros fornecedores. A composição definirá os tipos de proteções (coating) a serem aplicados na superfície dos componentes e estabelece a vida útil dos mesmos e os ciclos de manutenções. Quando há dois sistemas de combustível (gás natural e diesel por exemplo), a transferência de combustível é feita automaticamente com a turbina em operação e sem variação de velocidade. Normalmente o inicio da comutação é automática quando há problema no fornecimento do combustível “principal”, o inicio do retorno é, normalmente, manual. Em sistemas bi-combustíveis gás/líquido, normalmente, é necessário um sistema de “purga”. Durante o funcionamento com combustível gás, o próprio gás é injetado também pelo injetor líquido permitindo a sua refrigeração e durante o funcionamento com combustível líquido o ar do compressor GG é injetado (soprado) pelo injetor gás permitido a sua refrigeração e limpeza. E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE

Seção II - 18



VÁLVULA MANUAL: Isolar o pacote, principalmente em caso de manutenção ou hibernação da turbina.

•

VÁLVULA DE CORTE (SDV): Isolar automaticamente o pacote quando a turbina esta parada.

•

FILTRO: Garantir o combustível limpo ao sistema.

•

BOMBA: Eleva a pressão do combustível líquido.

•

SEPARADOR DE CONDENSADO: No sistema de combustível gás remove o condensado que é altamente prejudicial a turbina.

•

AQUECEDOR: Aquece o gás garantido a temperatura de no mínimo 20 °c acima do dew point, evitando a formação de condensado.

•

VÁLVULA DE CONTROLE DE PRESSÃO (PCV): No sistema de combustível gás controla a pressão do combustível. Importante para manter a estabilidade da variável controlada, principalmente em turbogeradores.

•

GOVERNOR: Conjunto de válvulas e dispositivos que controlam o fluxo de gás para a turbina, e é basicamente constituído de: 1° VÁLVULA SHUT-OFF: 1° Válvula de corte de combustível. VÁLVULA DA TOCHA/PILOTO/IGNITOR: Permite o envio do combustível para a injetor piloto (tocha) durante a fase de partida. INJETOR PILOTO/TOCHA/IGNITOR: Permite a chama inicial que “acenderá” o injetor principal. No conjunto tocha encontra-se a vela de ignição.


Seção II - 19


VÁLVULA DE PURGA: Encontrada no sistema gás, purga rapidamente o gás existente no sistema quando da parada da turbina. VÁLVULA BY-PASS: Encontrada no sistema líquido controla a pressão do combustível líquido a montante da válvula de reguladora de fluxo. Também pode Ter a função de purgar o sistema em caso de parada. 2° VÁLVULA SHUT-OFF: 2° Válvula de corte de combustível. VÁLVULA REGULADORA OU DOSADORA: Conjunto atuador/válvula que controla o gás combustível enviado ao injetores. É comandada pelo “Controle de Velocidade da Turbina”, do painel de controle da turbina, em função da carga solicitada e limitações máximas a serem atendidas.

VÁLVULA DE DISTRIBUIÇÃO: Usada no sistema de combustível líquido (diesel) quando os injetores tem duplos orifícios, permitindo a correta pulverização do líquido. •

INSTRUMENTAÇÃO: Os instrumentos típicos são: TRANSMISSOR DE FLUXO: Permite a medição do combustível INDICADOR (PDI) E/OU PRESSOSTATO DE PRESSÃO DIFERENCIAL (PDSH): Indica a pressão diferencial alta no filtro de combustível. INDICADOR (PI) E/OU TRANSMISSOR DE PRESSÃO (PT): Informa a pressão do combustível no header e/ou intervalvular (entre as válvulas shut-offs). PRESSOSTATO (PSL/PSLL/PSH/PSHH): Alarme e trip devido a baixa e alta pressão de combustível. INDICADOR (TI) E/OU TRANSMISSOR DE TEMPERATURA (TE): Informa a temperatura do gás combustível TERMOSTATO (TSL/TSLL): Alarme e/ou trip devido a baixa temperatura do gás combustível. CAIXA DE IGNIÇÃO: Envia energia elétrica para a vela, existente na tocha, permitindo a centelha.


Seção II - 20


SISTEMA DE CONTROLE DE FLUXO DO AR FUNÇÃO: Ajustar a vazão do compressor de ar do gerador de gás, mantendo sua curva de desempenho na máxima eficiência de acordo com condição operacional exigida pelo processo e evitando os fenômenos aerodinâmicos, tais como stall e surge, principalmente este último e pode causar graves danos a turbina a gás. Outra função do sistema é a selagem dos mancais e resfriamento das palhetas das turbinas.


INLET GUIDE VANE (IGV): São palhetas estatoras que permite rotacionar, em relação ao seu eixo de fixação. Isto permite variar o ângulo de incidência do ar, diminuindo ou aumentando a eficiência do estágio compressor e consequentemente controlando o volume de fluxo de ar.


Seção II - 21


VÁLVULA DE SANGRIA (BLEED VALVE): São válvulas que aliviam parte do ar de estágios intermediários ou na saída do compressor de ar do GG, evitando o fenômeno de surge.


Seção II - 22



Seção II - 23


Seção III SISTEMAS CONTROLE DA TURBINA A GÁS: •

SISTEMA DE PROTEÇÃO DA TURBINA A GÁS • PRINCIPAIS VARIÁVEIS SUPERVISIONADAS E CONTROLADAS • FILOSOFIA DE SEQUENCIAMENTO • PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO CONTROLE DE COMBUSTÍVEL


Seção III - 1


INTRODUÇÃO As informações, contidas neste trabalho, é oriunda dos manuais de operação e manutenção fornecidos pelos diversos fabricantes e empacotadores de turbomáquinas, como outras apostilas originadas internamente pela E&P. O objetivo destas anotações é familiarizar o treinando com as características gerais das turbinas a gás, os principais sistemas auxiliares que permitem o funcionamento de uma turbina a gás utilizada na área industrial, como também apresentar a filosofia de sequenciamento, intertravamento e controle da turbina a gás aplicado em geradores elétricos.


Seção III - 2


SISTEMA DE PROTEÇÃO DA TURBINA A GÁS PRINCIPAIS VARIÁVEIS SUPERVISIONADAS E CONTROLADAS

INTRODUÇÃO O sistema de proteção da turbomáquina, como em outros tipos de processos, objetiva evitar que os limites operacionais sejam ultrapassados. O principal objetivo do Sistema é garantir a segurança operacional e a integridade da máquina, mantendo a máxima disponibilidade. Há várias variáveis sendo supervisionadas, muitas das quais foram vistas nos sistemas auxiliares descritos anteriormente. As principais variáveis que este sistema protege são: •

TEMPERATURAS EXCESSIVA

•

SOBREVELOCIDADES

•

VIBRAÇÕES ELEVADAS

•

DESLOCAMENTO AXIAL

•

SURGE (é um fenomeno, a variável lida costuma ser variação da vazão e/ou pressão de ar)

TEMPERATURA DOS MANCAIS Os mancais são componentes importante para o bom funcionamento da turbina, o peso dos conjuntos rotores e a alta velocidade de rotação aliada a alta temperatura que estes mancais estão sujeitos, principalmente no mancal traseiro GG, mostra o grande esforço que estão sujeitos durante o funcionamentos da turbina. Na Turbina industrial (heavy duty), normalmente, são usados mancais de deslizamento do tipo “tilt pad”, as pastilhas são de aço revestidos de metal patente (liga que contem estanho e chumbo) e . Dependendo da sua composição, este material começa a “escoar” a partir de 140 °C. Por razões de segurança, sua temperatura é limitada, geralmente em 125 °C para trip e em 110 °C para alarme, quando a medição é efetuada diretamente nos mancais. Usualmente, são usados termopares ou RTD´s para este fim. A temperatura do óleo no header é na faixa de 40° a 60°C. É comum, contudo, a medição de temperatura indireta nos retornos de óleo dos mancais, apesar de não ser uma medição tão precisa quanto a leitura direta. Neste caso. O valor de alarme situa-se em 115°C para trip e 90 °C para alarme. Na Turbina aeroderivada os mancais são de rolamentos, portanto permite temperaturas maiores e normalmente a medição de temperatura é realizada no retorno de óleo do mancal, sendo o alarme entorno de 150° e o trip entorno de 170°C. A temperatura do óleo no header é na faixa de 80 a 115°C. No mancal de rolamento a suportação é pontual, ou seja, tem área reduzida. O que acarreta Como o contato neste tipo de mancal é pontual, é alta a tensão que estes mancais são submetidos, podendo levar a desgastes excessivos, tanto que é utilizado detetor de limalhas para verificar o estado de desgaste dos referidos mancais.


Seção III - 3


TEMPERATURA DE QUEIMA (PARTES QUENTES) As partes quentes da turbina, constituídas pelos injetores de combustível (fuel nozzles), câmara de combustão (combustion chamber), peça de transição (transition piece), distribuições (nozzles) e rotores (rotors) são submetidos a temperaturas muito altas devido à combustão e a conseqüente passagem dos gases. Os vários materiais, utilizados são resistentes às altas temperaturas, porém existem limites aos quais não podem ser ultrapassados durante a operação da máquina. A expectativa de vida útil das partes quentes reduz-se a metade caso opere a máquina com 20 a 25°C acima da Temperatura dos Gases de Exautão (EGT). Conforme norma API 616, recomenda o uso de termopares duplos ou a medição por dois grupos de termopares, sendo um grupo para controle e supervisão (proteção )e o outro grupo somente para proteção da máquina e através de um circuito redundante e externo ao circuito aonde se realiza o controle. Os termopares são elementos de medição de degradam rapidamente quando comparados aos outros elementos de medição. Com o decorrer do tempo ele apresenta leitura mais abaixa do que realmente é, isto permitirá que a turbina opere com temperatura acima do valor limite, o que acarreta a redução da vida útil dos componentes. Portanto é recomendado a troca periódica dos termopares. SOBREVELOCIDADE Os rotores das turbomáquinas possuem limites superior de velocidades devido a força centrifuga aos quais estão submetidos. Como também estão submetidos a alta temperatura, a palheta esta sujeita a “fluência” de sua estrutura molecular, o que poderá levar ao “roçamento” e a quebra da palheta. Por essas razões é importante o controle das rotações, evitando que ultrapasse a máxima rotação de GG ou PT e supervisão/intertravamento (proteção) para alarme e trip caso atinja a sobrevelocidade GG e PT. A norma API 616 exige duplo sensores de velocidade PT, sendo que um sensor para controle e supervisão/intertravamento e o outro é usado exclusivamente para proteção máquina, através de um circuito redundante e externo ao circuito que realiza o controle. Os sensor são constituído de uma bobina no qual passa uma corrente elétrica criando um campo magnético, o sensor esta montado junto a uma roda dentada acoplada ao eixo ou da turbinas GG ou da PT. A roda dentada ao girar permitirá a variação do fluxo magnético. Quando o sensor esta num vale, da roda dentada, a relutância magnética é alta, portanto o fluxo magnético é baixo, quando o sensor esta próximo ao dente, a relutância é baixa e consequentemente o fluxo é alto, com a variação do fluxo magnético O sensor enviara ao painel é um trem de pulsos de freqüência proporcional à velocidade da turbina.


Seção III - 4


MONITORAÇÃO DE VIBRAÇÃO E DESLOCAMENTO AXIAL Devido a alta rotação do gerador de gás (GG) e da turbina de potência (PT) e as folgas entre estas partes rotativas e as partes estacionárias serem muito pequenas, na ordem de 0,1 a 0,6 mm, a monitorarão das vibrações é importantíssima. Vibrações elevadas podem aumentar o desgaste dos mancais, roçamento das partes móveis nas partes fixas, esforços cíclicos elevados, fadiga, etc. levando a queda na eficiência e dano permanente e com isso elevado índice de indisponibilidade. Para monitorar os níveis de vibração., existem três tipos de sensores de vibração: SENSOR DE PROXIMIDADE Este sensor é constituído de uma bobina na ponta (Tip) de um probe, a função da bobina é produzir um campo magnético próximo ao eixo da máquina.

Uma vez que o eixo é feito de material magnético (aço), o campo magnético terá a sua amplitude variada em função da distância do sensor ao eixo, ou seja, o eixo ao se aproximar da ponta do sensor, diminui a relutância magnética com o conseqüente aumento do campo magnético, a variação do campo magnético acarreta a indução de uma tensão. Esta tensão é função da distância da ponta (Tip) do sensor ao eixo monitorado. Como o sensor mede a distância ao eixo, ele mede efetivamente a amplitude vibração do eixo em relação à carcaça. O sinal produzido é de deslocamento, ou seja, amplitude do deslocamento e é expresso normalmente em microns pico a pico ou MIL pico a pico.


Seção III - 5

BÁSICO DE TURBINAS A GÁS Disposição dos probes

Neste tipo de monitoração de vibração é necessário a colocação de dois sensores a 90°, a vibração pode ser dada em um plano que garantirá a medição tanto no eixo X como no eixo Y. O monitor no painel alimenta um conversor de sinal que chamamos de proximitor, a tensão de alimentação normalmente é de 24 volts negativo. O proximitor alimenta o probe e recebe uma tensão AC, a variação da tensão AC é função da vibração e é transformada, vide gráfico a seguir, pelo proximitor e é enviada ao monitor no painel

Gráfico mostrando a relação da tensão de saída do proximitor em função da distância (GAP) do sensor ao eixo

Detalhe do proximitor


Seção III - 6


Instalação típica de sistema de monitoração de vibração em um eixo.

Um ponto importante neste tipo de sistema é o casamento de impedância entre o probe, cabo de extensão e proximitor. É necessário a verificação da curva do sistema quando houver a troca de um ou mais componentes e a necessidade de confirmar o correto funcionamento do sistema.


Seção III - 7


SENSOR SÍSMICO DE VELOCIDADE É constituído de uma bobina (massa) suportada por um conjunto de molas no interior de uma imã que está preso a carcaça do sensor. A construção, pode ser também, com um imã (massa) suportado pelas molas e a bobina fixada na carcaça do sensor. Devido a vibração da máquina, o sensor também vai vibrar já que ele esta solidário na carcaça da máquina, então o imã oscila no mesmo ritmo da vibração, porém a bobina permanece estática devido a ação amortecedora das molas. Com isso teremos a bobina variando dentro de um campo magnético e conseqüentemente teremos uma força eletromotriz induzida (fem) na bobina.

Sensor de velocidade de vibração

A força eletromotriz induzida é função da variação do fluxo magnético (∆φ) sobre a variação do tempo ( ∆t), logo: f.e.m. = ∆φ / ∆t Como a variação do fluxo magnético (∆φ) é função do campo magnético (B) vezes a variação da área ( ∆S) devido a vibração, logo: ∆φ

= B . ∆S

A variação da área ( ∆S) é o comprimento do fio (l), que é constante, vezes a variação do deslocamento da vibração (∆X), então: f.e.m. = ( B . l . ∆X ) / ∆t ou f.e.m = B . l . (∆X / ∆t) Como o campo magnético (B) é fixo e o comprimento do fio (l) cortado pelo campo magnético também é fixo, temos a f.e.m. função da variação do deslocamento da vibração no tempo, portanto, o sinal de saída do sensor (f.e.m.) é proporcional a velocidade de vibração, e normalmente expressa em milímetros por segundo (mm/s) ou polegadas por segundo (ips).


Seção III - 8


Sensor de velocidade de vibração típico e sua dimensão

SENSOR SÍSMICO DE ACELERAÇÃO OU ACELERÔMETRO Este sensor se utiliza do efeito piezoelétrico de cristais tais como o quartzo, turmalina ou sal de Rochelle. É constituído por um sistema massa - mola, a máquina ao vibrar transmite a vibração para o sensor através da carcaça da máquina. A massa inferior vibra no mesmo ritmo da máquina e a massa superior fica estacionária devido ao amortecimento dado pela mola, então temos a ação da força de pressão das massas sobre o cristal piezoelétrico, produzindo uma tensão entre as faces metálicas.

Sensor de Aceleração da Vibração - Acelerômetro

Como a tensão (v) nas extremidades do cristal é proporcional a força (f) que o pressiona. v ∝ f E a força (F) é a massa (M) multiplicado pela aceleração (a). F=M.a Como a massa (M) é constante e a aceleração (a) é proporcional a vibração, então temos a tensão (v) proporcional a aceleração da vibração. v ∝ a


Seção III - 9


O sinal fornecido pelo sensor é muito tênue e sua unidade é C/G (Coulumbs por Gravidade (9,8m/s2)). É necessário o uso de um amplificador de carga. Após o amplificador a unidade, normalmente usada, é m/s2. Da mesma forma que o sensor de velocidade, este sensor mede vibração na carcaça da máquina.

Acelerômetros típicos

DESLOCAMENTO AXIAL Como a turbina é uma máquina de fluxo o eixo GG e PT estão sujeitas a deslocamento axial, e o deslocamento excessivo do eixo da turbina pode levar ao roçamento do rotores nas partes estatoras, portanto é necessário a monitoração do deslocamento axial. A monitoração de deslocamento axial é feita por meio dos mesmos sensores de proximidade, visto anteriormente, e informam ao painel o passeio axial do colar. Os níveis de alarme e trip adotados são respectivamente ± 0,4 mm e ± 0,6 mm. Os sinais + e - significam que pode haver deslocamento axial no sentido de aproximação do eixo (-) ou afastamento em relação ao probe, e ambos os deslocamentos podem acarretar danos a turbomáquina.

Instalação típica de sistema de monitoração de deslocamento axial de um eixo.


Seção III - 10


MONITORES DE VIBRAÇÃO E DESLOCAMENTO AXIAL Os monitores tem como funções a de alimentar o sensor, receber o sinal enviado pelo sensor e verificar o nível deste sinal, caso o sinal chegue a nível de alarme atuará uma saída, normalmente um relé, que informará ao painel de controle da turbomáquina a ocorrência e este decidirá o que deve ser feito, que poderá ser um puro alarme sonoro e visual até o desligamento da máquina. A maioria dos sistema de monitoração de vibração e deslocamento instalados nas turbomáquinas da Bacia de Campos é da Bently Nevada e atualmente temos os seguintes sistemas o sistema: SISTEMA 7200 O Sistema 7200 é totalmente analógico e está obsoleto, o projeto tem mais de trinta anos. Atualmente este sistema esta sendo “retrofitado”.

SISTEMA 2201 O sistema 2201 foi projetado pela Bently Nevada para uso direto no rack 1771 do PLC da Allen Bradley


Seção III - 11


SISTEMA 3300 O sistema 3300 é o mais difundido atualmente. É um sistema análogico.digital

SISTEMA 3500 O sistema 3500 é o mais recente em funcionamento na Bacia de Campos, é totalmente digital e aberto permitindo programação e vários tipo de comunições com outros sistemas, inclusive acesso remoto. Este sistema foi escolhido como padrão para os sistemas monitoração de vibração, deslocamento axial e temperatura dos mancais nas novas turbomáquinas adquiridas para a Bacia de Campos

DIAGRAMA DE SEVERIDADE DE VIBRAÇÃO Este diagrama é orientativo, não deve ser usado para a determinação do set-point da máquina. O set-point é determinado pelo fabricante da máquina. diagrama 3 em 1 plota o nível de vibração para: Aceleração x CPM, Velocidade x CPM e Deslocamento x CPM. Sabendo a velocidade em RPM (i.e. CPM) da máquina e qual é a técnica de medição de vibração (aceleração, velocidade e/ou deslocamento) determina-se como a máquina deverá se comportar quando nova ou após um overhaul e qual deve ser o nível da condição de alerta ou de perigo. Identifique no eixo da ordenada a velocidade da máquina em RPM. Trace um reta vertical até o ponto na faixa a ser verificado, ou seja, Desejável (Desirable); Satisfatório (Acceptable), Aceitável (Fair), Severo (Rough) e/ou Ruim (Bad).


Seção III - 12


No ponto marcado a linha horizontal indica o valor em velocidade de vibração, a linha inclinada a 45° indica o valor em deslocamento de vibração e a linha inclinada a 135° indica a velocidade em aceleração de vibração

Como o valor da velocidade de vibração é praticamente constante para qualquer velocidade da máquina, acima de 1000 RPM (caso das turbomáquina), este tipo de medição é preferível, para determinar a severidade da vibração, em relação a aceleração de vibração e deslocamento de vibração. Velocidade de Operação

Aplicação

Todos

Mancal de Rolamento

< 4000 RPM

Mancal de deslizamento Hidrodinâmico

4k -< RPM < 80k > 100.000 CPM

Engrenamento

Técnica do Sensor

Sísmico Carcaça do Mancal

Proximidade Não Contato Sísmico em cima da gear

Leitura/Set-point típico de Vibração Medida Nova Velocidade

Deslocamento

Aceleração

Alerta

Perigo

0,05 - 0,08 ips, pk

1 - 2 mm/s, RMS

0,2 - 0,3 ips, pk

4 - 6 mm/s, RMS

0,3 - 0,4 ips, pk

5 - 7 mm/s, RMS

0,08 - 0,12 ips, pk

2 - 3 mm/s, RMS

0,3 - 0,4 ips, pk

5 - 7 mm/s, RMS

0,4 - 0,6 ips, pk

7 - 10mm/s, RMS

0,8 - 1,2 ips, pk-pk

20 - 30 µ m, pk-pk

2,0 - 2,5 ips, pk-pk

25 - 40 µ m, pk-pk

3,0 - 4,0 ips, pk-pk

75 - 100 µ m, pk-pk

0,2 - 0,3 ips, pk-pk

5 - 8 µm, pk-pk

0,8 - 1,2 ips, pk-pk

20 - 30 µ m, pk-pk

1,0 - 1,5 ips, pk-pk

25 - 40 µ m, pk-pk

3 - 8 g, pk

2 - 6 g, RMS

10 - 25 g, pk

7 - 18 g, RMS

15 - 40 g, pk

10 - 28 g, RMS

A relação entre o deslocamento da vibração, a velocidade da vibração, e a aceleração da vibração, para um sinal soneidal, são dadas por:

v = π.f.d a = π . f . v = 4 π2 . 4f2 . d onde v é velocidade da vibração, f a frequência da vibração, d é o deslocamento da

vibração e a é aceleração.


Seção III - 13


MONITORAÇÃO DE VELOCIDADE O sensor de velocidade é semelhante ao sensor de proximidade, é constituído de uma bobina, na ponta de um encapsulamento metálico, no qual passa uma corrente elétrica criando um campo magnético, o sensor esta montado junto a uma roda dentada acoplada ao eixo da turbina GG ou da turbina PT. A roda dentada ao girar permitirá a variação do fluxo magnético, ou seja, quando o sensor esta num vale, da roda dentada, a relutância magnética é alta, portanto o fluxo magnético é baixo, quando o sensor esta próximo ao dente, a relutância é baixa e consequentemente o fluxo é alto, com a variação do fluxo magnético a bobina gera uma f.e.m. na mesma freqüência da passagem dos pulsos. O sensor enviara ao painel é um trem de pulsos de freqüência proporcional à velocidade da turbina.

Sensor de velocidade típico

A roda dentada do eixo GG da PGT5 (NP)

MONITORAÇÃO DE DESLOCAMENTO

Para a o feedback da posição de pistões, válvulas e IGV é usualmente utilizado em turbomáquinas o LVDT (Linear Variable Displacement Transducer) ou RVDT (Rotate Variable Displacement Transducer). O principio construtivo do LVDT e RVDT é o mesmo. Se trata de um transformador de tensão no qual o núcleo é movido linearmente, no LVDT, ou rotacionalmente, no RVDT, pelo dispositivo que queremos monitorar.

Um módulo eletrônico alimenta o primário do transformado com uma tensão AC de amplitude e freqüencia fixa. A tensão induzida no secundário variará com o movimento do núcleo, ou seja, o deslocamento do núcleo dentro do transformador é proporcional a variação da relutância magnética e consequente do campo magnético, portanto a tensão no secundário é proporcional a variação do deslocamento do núcleo. Como o núcleo está ligado mecanicamente ao dispositivo que queremos monitorar, a tensão do secundário é, lógicamente, propocional ao deslocamento do dispositivo monitorado. Esta tensão é lida pelo mesmo módulo que alimentou o primário e é convertida em sinal de corrente calibrado E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE

Seção III - 14


de 4 a 20 mA. A corrente é envia ao sistema de controle como feedback da posição do dispositivo monitorado. Abaixo temos um módulo amplificador e interface de LVDT. O módulo recebe o sinal de 4 a 20 mA vindo do sistema de controle de combustível (from FT System) e amplifica para 20 a 100 mA para o atuador da válvula de combustível, e envia o sinal de 4 A 20 mA como feedback da posição da válvula de combustível, monitorada pelo RVDT.

Detalhe da instalação do LVDT, Pistão de acionamento da IGV e a válvula de 4 Vias que comanda o pistão

NOMENCLATURAS E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE

Seção III - 15


Mesmo tendo que seguir a Norma ANSI/ISA-5.1, as nomenclaturas utilizadas, para as mesmas variáveis, nas turbinas é das mais variadas, portanto é necessário a adaptar-se as simbologias e descrições usadas nas turbomáquinas que o técnico ira trabalhar. Exemplo típico são as variáveis da turbina a gás, que apresentam nomes diferentes entre diferentes fabricantes. Abaixo segue alguns exemplos das principais variáveis.

5

0 3 1 2

COMBUSTOR

6

7 4

Ponto

Descrição

Solar

Dresser

Hispano

LM-2500

NP

Allison

0

Atmosfera

T0, P0

T1, P1

T0, P0

1

Entrada do compressor GG

T1, P1

T2, P2

T1, P1

T2, P2

2

Saída do compressor GG

T2, PCD

PCD

T2, P2

PS3

3

Entrada da distribuição HP

4

Entre turbinas HP e PT

5

Saída da turbina PT

6

Velocidade do GG

NGP

NGG

NGG (GGS)

NHP

NHP

NGG

7

Velocidade da PT

NPT

NPT

NPT (PTS)

NLP

NLP

NPT


CIT PCD COT, CDP

T3 T5

T5

T7, P7

T4, P4

T5.4

T5, P5

TIT EGT

TOT

TX

Seção III - 16


PAINEL GTS – TURBOGERADOR DE NUARG


Seção III - 17


FILOSOFIA DE SEQUENCIAMENTO: SEQUENCIAMENTO: Há diversos fabricantes de turbina com vários modelos diferentes, porém apresentam semelhança na filosofia de sequenciamento, que podemos resumir em 9 fases: 1. PARADA / STOP •

Painel de controle e o centro de motores (CCM) estão energizados e todos os sistemas auxiliares estão “parados”.

•

Caso não haja nenhum alarme de desligamento (trip) e condições prévias, tanto da turbina como da carga acionada (compressor, gerador, bomba, etc.) estão atendidas a turbina está pronta, aguardando a ordem de partida para em funcionamento.

•

Dada a ordem de partida ocorre os seguintes eventos a seguir:

2. PREPARAÇÃO / PRÉ-LUBRIFICAÇÃO / PRE-LUB •

No caso de turbo compressor é iniciada a seqüência de válvulas no compressor de gás.

•

Os ventiladores do hood são ligados.

•

A bomba de emergência (motor DC) é colocada em operação e testada, caso a pressão esteja ok a partida continua, caso contrário a partida é interrompida.

•

A bomba auxiliar (motor AC) é ligada.

•

Decorrido o tempo necessário (≈30 segundos) para preencher as linhas de óleo lubrificante e garantir a perfeita lubrificação é verificar a pressão de óleo e caso ok a partida continua.

3. VENTILAÇÃO / PURGA / CRANK •

O sistema de partida coloca o motor de partida em funcionamento, retirando o GG da inércia e levando a sua rotação para a rotação de ventilação (10 a 20% da máxima rotação GG), desde que a pressão de óleo lubrificante esteja Ok. A rotação do GG permite realizar a purga interna da turbina (30 a 180 segundos) com ar limpo.

•

Em alguns casos o sistema de gás combustível verifica a estanqueidade do sistema, deste que a partida seja a gás.

•

Começa a ter pressão de óleo hidráulico.

•

Após o tempo de purga avança para próxima fase.

4. PARTIDA / IGNIÇÃO •

O sistema de combustível seqüência as válvulas realizando a sua purga.

•

É enviado combustível para o piloto (tocha) e acionada a vela de ignição.

•

O painel de controle começa a enviar sinal, conforme rampa de partida, para a abertura da válvula reguladora.


Seção III - 18


O sistema de partida começa acelerar, de novo, o GG que junto com a queima dos gases aumenta a rotação.

•

A vela de ignição e a tocha são desligadas.

•

Atingida a rotação de IDLE (sustentação) o sistema de partida é desligado.

•

A bomba principal já fornece óleo e a bomba auxiliar (motor AC) é desligada.

Ordem de partida

IDLE / WARM-UP

Parada/ Stop/ Stand-by Tempo indeterminado

Preparação / Pré-Lubrificação / Pre-Lub ½ min a 10 min. Ventilação / Purga / Crank ½ min a 04 min

Partida / Ignição 1 min 15 seg

Pós-Lubrificação / Pos-Lub

Idle / Warm-Up 20 min.

2h a 3 h

Control start Parando / Stopping 4min. A 20 min.

Acceleration and load applied

Shut down

Operação com duração indeterminada

Shut down order

SEQÜÊNCIA DE OPERAÇÃO


Seção III - 19


5. IDLE / WARM-UP •

Tempo para aquecimento antes da aceleração para a colocação de carga, isto diminui o gradiente de temperatura no qual a turbina está sujeita. Em turbogeradores de emergência está fase não ocorre.

6. OPERAÇÃO / LOAD •

O painel de controle acelera e desacelera a turbina, dentro dos parâmetros de aceleração (Accel) e desaceleração (Disaccel) estabelecidos, em função da variação carga, desde que os limites de temperatura dos gases de exaustão, velocidade GG ou velocidade PT não sejam atingidos.

•

A turbina permanece nesta condição até ocorrer: O operador enviar a ordem de retirada de carga ou ordem de parada. A turbina vai para idle / cool-down É detectado um alarme de mal funcionamento(trip). A turbina vai para parada / stopping.

7. IDLE / COOL-DOWN •

Tempo de resfriamento que ocorre após desaceleração e antes do corte de combustível, com isto diminui o gradiente de temperatura no qual a turbina esta sujeita.

8. PARADA / STOPPING •

É cortado o combustível fechando as válvulas de corte (shut-off valves).

•

A bomba auxiliar (motor AC) é acionada.

•

Após a desaceleração e parada do GG e PT iremos para a próxima fase.

9. PÓS-LUBRIFICAÇÃO / POS-LUB •

A bomba auxiliar (motor AC) e os ventiladores continuam operando durante toda esta fase.

•

Caso não haja nenhum alarme de desligamento (trip) e condições prévias estão atendidas, a turbina está liberada para partir. Se o operador ordenar a partida a máquina vai para a fase 2 (preparação).

•

Decorrido o tempo de pós-lubrificação a bomba auxiliar e os ventiladores são desligados e a máquina volta a fase 1 (parada / stop).


Seção III - 20


PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO CONTROLE DE COMBUSTÍVEL FUNÇÃO: A principal função do controle de velocidade da turbina em um turbogerador é fornecer a potência mecânica necessária para manter a rotação do gerador elétrico constante, ou seja, a freqüência constante, independente da potência elétrica solicitada pelo consumidor. Em um turbocompressor, o controle de combustível deverá manter a rotação do compressor solicitada pelo controle de capacidade, também chamado de controle de performance. Como o gerador elétrico ou o compressor de gás estar acoplado a turbina de potência (PT), a rotação da PT é a principal variável controlada. Sendo a potência disponível no eixo da PT diretamente proporcional a pressão e temperatura dos gases, quando maior a potência solicitada maior será a temperatura EGT e a pressão PCD. sendo que está última está relacionada a rotação do gerador de gás (NGG). Devido a limitações mecânicas e metalúrgica do GG, são impostas limitações de máxima de rotação GG (NGG) e de máxima temperatura dos gases (EGT). O controle de velocidade da turbina não deve permitir que este limites sejam ultrapassados. FUNCIONAMENTO NA PARTIDA: Durante a partida (vide fig. 3), na fase de ignição, quem comanda o governor da máquina é a rampa de partida que cresce em função do tempo e da pressão PCD. Sendo que a rampa é limitada pela circuito de máxima (Accel) e mínima (Disaccel) aceleração, quando a rotação PT (NPT) atinge a primeira vez a rotação de controle, o PID de NPT passa de seguidor para controlador. Nesta fase a rotação GG (NGG) é menor que o set-point (SP) de máxima NGG, como também a temperatura dos gases de exaustão (EGT) está abaixo do seu set-point de limitação EGT, os controladores PID’s de NGG e EGT estão saturados, ou seja, as suas saídas estarão no máximo valor, com isto o menor sinal é saída do controlador NPT e este será o sinal selecionador pelo seletor de menor sinal. Portanto que comanda a turbina, neste momento, é o PID de PT. FUNCIONAMENTO DURANTE A OPERAÇÃO EM TURBOGERADOR Em um Turbogerador o essencial é manter a freqüência igual ao set-point (SP) independente da potência elétrica fornecida, ou seja, manter a rotação PT igual SP de NPT, que é fixo quando o controle está no modo isócrono, ou tem uma pequena variação (exemplo - 2% para máxima potência) em função da potência elétrica ou da pressão de descarga do compressor de GG (PCD) quando está no modo droop. Freqüência

Freqüência

60,6

60

59,4

Máxima Modo Isócrono Potência

Potência Modo Droop

Máxima Potência

Potência

O aumento da demanda de carga do Gerador Elétrico representa maior peso no eixo da PT, ou seja, a rotação PT (NPT) começa a diminui, o que significa queda da freqüência. O controlador PID de NPT ao comparar a rotação PT (PV) com o seu set-point (SP) aumentará o sinal de saída (CV), que será menor que as saídas (CV’s) dos PID’s de NGG e EGT, já que a máquina não está limitada, portanto o sinal escolhido pelo Seletor de Menor E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE

Seção III - 21


Sinal será o sinal oriundo do PID de PT. Com o aumento do sinal temos o incremento da abertura da válvula de controle de combustível do governor e o conseqüente aumento da injeção de combustível acelerando a turbina de potência (PT), portanto recuperando a freqüência. A saída de carga elétrica representa menor peso no eixo de PT, ou seja, a rotação PT começa a aumenta, o que significa a freqüência subi. O Controlador PID de NPT diminuirá o sinal de saída, como este sinal é menor do que os outros sinais teremos a redução da abertura da válvula de controle de combustível do governor, reduzindo a injeção de combustível que reduz a rotação PT, portanto reduzindo a freqüência. O crescimento da demanda elétrica acarreta a aceleração da máquina, consequentemente a rotação GG e a temperatura EGT aumentarão. Com a continua aceleração, uma dessas duas variáveis atingirá o valor máximo setado pelo set-point, o controlador PID correspondente diminuirá o sinal de saída que passará a ser menor do que o sinal de saída do PID de NPT, o menor sinal assume o controle evitando de a máquina acelere e com isto aumente a rotação GG ou temperatura EGT vá a valores acima do valor máximo de controle, mantendo a integridade da máquina. Nesta condição a freqüência tende a cair. Quando da entrada de uma grande carga, a turbina tenderá a acelerar bruscamente, o que corresponde a um súbito aumento do sinal de saída do PID de PT. Se houver necessidade de limitar a aceleração, o circuito de Accel manterá o seu sinal menor que o sinal de saída do PID de PT e com isto limitara a aceleração da turbina Quando da saída de uma grande carga a turbina tenderá a desacelerar bruscamente, o que corresponde a uma súbita diminuição do sinal de saída do PID de PT. Se houver necessidade de limitar a desaceleração, o circuito de Disaccel manterá o seu sinal maior do que o sinal de Seletor de Menor e com isto limitara a desaceleração da turbina. Caso a desaceleração seja muito brusca (ex. desligamento do disjuntor principal) a ponto de tender a fechar por completo a válvula de controle de combustível, o circuito de mínima abertura da válvula não permite que isso aconteça o que poderia acarretar o apagar da chama de combustão. As variáveis NPT, NGG e EGT também são supervisionadas e caso ultrapassem o limite de controle e atinja valores que venham a diminuir a vida útil ou danificar a máquina o sistema será “tripado”, ou seja, haverá a parada do turbogerador. A norma API 616, determina a existência de dois sensores de velocidade PT, alguns fabricantes usam também dois sensores de velocidade GG, e duas medições de temperatura EGT, sendo que uma medição é usada para controle e supervisão e a outra medição é usada somente para supervisão, porém usando circuito redundante e externo ao circuito aonde realiza-se o controle.


Seção III - 22


DIAGRAMA SIMPLIFICADO DO CONTROLE DE COMBUSTÍVEL EM TURBOGERADOR

Combustível

Governor

Ar Filtrado

Turbina de Potência Gerador de Gás

Gases de Exaustão

Combustor

T1

R o t o r

Rotor do Compressor

Ao Gerador Elétrico

H P

PCD NGG

EGT

NPT

Mv/U

F/U

mA/U R/U

F/U Acell Disaccel PV

D PID

SP

A

PV CV

PCD

U/mA

T1

PID

CV

EGT máx.

SP

NGG máx. CV

PV

PID

SP Seletor de Menor Mínima abertura do Governor Seletor de Maior

Isocronus

Rampa de Partida PCD


T1

NGG

Referência fixa de Freqüência

Droop

Fator de Droop PCD ou Potência Elétrica

Seção III - 23


FUNCIONAMENTO DURANTE A OPERAÇÃO EM TURBOCOMPRESSOR No turbocompressor, o controle de combustível deverá manter a rotação do compressor solicitada pelo controle de capacidade, também chamado de controle de performance. DIAGRAMA SIMPLIFICADO DO CONTROLE DE COMBUSTÍVEL EM TURBOCOMPRESSOR Combustível

Governor

Ar Filtrado

Turbina de Potência Gerador de Gás

Gases de Exaustão

Combustor

T1

R o t o r

Rotor do Compressor

Ao Compressor de Gás

H P

PCD NGG

EGT

NPT

Mv/U

F/U

mA/U R/U

F/U Acell Disaccel PV SP

D PID

A

PV CV

PCD

U/mA

T1

PID

CV

EGT máx.

SP

NGG máx. CV

Seletor de Menor

Mínima abertura do Governor

Seletor de Maior

PV PID

Local (Manual) Referência Interna de Velocidade

Rampa de Partida PCD

T1

NGG

SP Remoto

SP vindo do Controle de Capacidade (ver Fig. 7)

Com o aumento do set-point, oriundo do Controle de Capacidade, o Controlador PID de NPT ao comparar a rotação PT (PV) aumentará o sinal de saída (CV), que será menor que as saídas (CV’s) dos PID’s de NGG e EGT, já que a máquina não está limitada, portanto E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE

Seção III - 24


o sinal escolhido pelo Seletor de Menor Sinal será o sinal oriundo do PID de PT. Com o aumento do sinal temos o incremento da abertura da válvula de controle de combustível do governor e o conseqüente aumento da injeção de combustível acelerando a turbina de potência (PT), portanto elevando a rotação solicitada pelo Controle de Capacidade, ou seja, aumentando a potência (Head) necessário a compressão. Com a redução do set-point, oriundo do Controle de Capacidade, o Controlador PID de NPT diminuirá o sinal de saída, como este sinal é menor do que os outros sinais no Seletor de Menor teremos a redução da abertura da válvula de controle de combustível do governor, reduzindo a injeção de combustível que reduz a rotação PT, portanto reduzindo o Head fornecido. O aumento da potência consumida no compressor acarreta a aceleração da máquina, consequentemente a rotação GG e a temperatura EGT aumentarão. Com a continua solicitação de potência, uma das duas variáveis citadas atingirá o valor máximo setado pelo set-point, o controlador PID, que estava “saturado” começa a diminuir o sinal de saída que passará a ser menor do que o sinal de saída do PID de NPT, este será o menor sinal no Seletor de Menor e assume o controle da válvula de combustível, evitando que a máquina acelere e aumente a rotação GG ou temperatura EGT acima de seus valores máximos, mantendo a integridade da máquina. Nesta condição o Controle de Capacidade não é atendido. O Controle de Capacidade pode solicitar um forte aumento da velocidade do compressor, isto no controle de combustível corresponde a um súbito aumento do sinal de saída do PID de PT. Se este sinal for maior que o sinal de máxima aceleração, no Seletor de Menor, há a necessidade de limitar a aceleração. O circuito de Accel manterá o seu sinal menor que o sinal de saída do PID de PT limitando a aceleração da turbina. Há várias estratégias de Controle de Capacidade, os mais usuais são: • Controlar a pressão de sucção e limitar na máxima pressão de descarga e/ou limitar na máxima temperatura de descarga. • Controlar a pressão de descarga e limitar na mínima pressão de sucção. • Controlar a vazão e limitar na mínima pressão de sucção. PV1 PID SP1

< SP2 PID PV2

CONTROLE DE CAPACIDADE SIMPLIFICADO Estratégia do Controle

Comparação

Saída do PID

Controlar a Pressão de Sucção Limitar na máxima Pressão de Descarga

Ps ≈ SP1 Pd < SP2

Normal

Limitar na mínima Pressão de Sucção Controlar a Pressão de Descarga

Ps > SP1

Limitar na mínima Pressão de Sucção Controlar a Vazão


Pd ≈ SP2 Ps > SP1 Q ≈ SP2

Saturado ⇑

Seletor

<

Saturado ⇑ Normal

<

Saturado ⇑ Normal

<

Seção III - 25


Head Pd / Ps Pd

PIC - SP

Nmax NOP Nmin

Potência Absorvida

Q

P1

Q CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UM COMPRESSOR CENTRÍFUGO Nas plataformas de produção da Bacia de Campos desejamos manter a pressão de sucção constante para a correta separação do óleo/gás/água. Portanto a estratégia utilizada no Controle de Performance é da pressão de sucção constante e limitação na máxima pressão de descarga.


Seção III - 26


Seção IV GUIA PARA LEVANTAMENTO DE INFORMAÇÕES SOBRE TURBINA A GÁS ASPECTOS DE MANUTENÇÃO:


Seção III - 1

BÁSICO DE TURBOGERADORES

GUIA PARA LEVANTAMENTO DE DADOS DE TURBOMÁQUINAS O conhecimento amplo do sistema de geração e compressão, incluindo a turbomáquina, permite a correta operação do sistema. Abaixo segue roteiro que, se preenchido, permitirá conhecer o sistema em que você irá trabalhar. TURBINA À GÁS 1) TURBINA - Marca(fabricante) GG - Marca(fabricante) PT - Modelo - Potência ISO - Eficiência térmica - Tipo - Mancais ( tipo e números ) - Compressor de ar . tipo . número de estágios . materiais . relação de compressão . vazão mássica . IGV ( inlet guide vane ) . Válvulas anti-surge - Câmara de Combustão . tipo . número de câmaras . material . número de injetores . número de ignitores - Combustível - Roda da turbina HP (número de estágio, rotação e material) - Roda da turbina LP (número de estágio, rotação e material) - Temperatura limite de operação contínua - Limites operacionais 2) SISTEMA E ÓLEO DE LUBRIFICAÇÃO - Qual é o óleo(tipos)? - Qual é a carga para abastecimento? - Qual é o volume do reservatório? - Quantas bombas? - Qual o tipo de resfriador? - Como é efetuado o controle de temperatura? - Qual é o modelo do elemento filtrante e quantos p/ filtro? - Qual é a micragem? - Como é efetuado o controle de pressão? - Quais são os limites operacionais do sistema? 3) SISTEMA DE ÓLEO DE COMANDO - Quantas bombas existem instaladas? - Quais são os modelos? - Como é efetuado o controle de pressão? EP-SSE/SC-SL/TBM/TTNP

Seção IV- 1


- Qual é o modelo, número de elementos e a micragem dos filtros? - Quais os limites operacionais do sistema? 4) SISTEMA DE PARTIDA - Motor de partida - tipo e potência - Caso tenha conversor de torque, qual é o modelo? - Como é o sistema de acoplamento? - Quais são os componentes? - Quantas velas de ignição? 5) SISTEMA DE GÁS COMBUSTÍVEL - Como é efetuado o controle de pressão do gás? - Qual é o modelo da válvula dosadora? - Como são acionadas as válvulas? - Quais são os parâmetros que fazem parte da malha de controle? - Quais são os limites operacionais? 6) SISTEMA DE AR - Quantos são os estágios da filtragem de ar? - Quantos são os elementos por estágio? - Qual é o DP recomendado para troca dos elementos? - Qual é o percentual do ar que é comprimido pelo compressor, que participa da queima? - Quais são as partes resfriadas da turbina? - Qual é a origem do ar de selagem? - Quantos ventiladores existem para ventilação do casulo? - Como é o acionamento dos DAMPERS de ar do casulo? 7) SISTEMA DE RECUPERAÇÃO DE CALOR - Citar os Dampers do sistema - Capacidade de térmica de troca de calor - Qual é a filosofia de controle? - Citar a instrumentação de segurança 8) HOOD E SISTEMA DE SEGURANÇA - Citar os meios de segurança - Conhecer o lay-out de distribuição dos sensores - Conhecer a filosofia de segurança 9) CAIXA DE ACESSÓRIOS - Quantos eixos? - Quais são os equipamentos acionados? GERADORES ELÉTRICOS 1) GERADOR - Fabricante(marca) - Modelo - Potência Elétrica (VA, real e aparente) EP-SSE/SC-SL/TBM/TTNP

Seção IV- 2


- Tensão de Geração - Tipo de excitação - N° de Polos - Rotação da PT e do Gerador Elétrico 2) MANCAIS E SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO - Qual o tipo de Mancais? - Quem fornece e como é efetuado o controle de pressão do óleo. 4) SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO - Como é feita a refrigeração do Gerador - Conhecer o fluxograma e identificar os principais componentes 5) SISTEMA DE CONTROLE DE TURBOGERADORES - Identificar os painéis da cabine de controle - Identificar os reles de proteção do Gerador - Conhecer a seqüência lógica de partida e parada - Conhecer a filosofia de regulação da turbina

COMPRESSORES 1) COMPRESSOR - Fabricante (marca) - Modelo - Vazão volumétrica nas condições de sucção de cada estágio - Vazão volumétrica normal (1 ATM, 20 °C) - Vazão mássica - Pressão de sucção (Ps) de cada estágio - Pressão de descarga (Pd) de cada estágio - Temperatura de sucção (Ts) de cada estágio - Temperatura de descarga (Td) de cada estágio - Número de impelidores - Número de estágios - Tipo de carcaça - Tipo de mancal - Conhecer e analisar as curvas de performance (desempenho) dos compressores - Conhecer e analisar o fluxo do balanço de massa do turbocompressor - Limites operacionais, sistemas de proteção 2) SISTEMAS DE SELAGEM - Qual o tipo dos anéis de labirinto da selagem interna? - Qual é o tipo da selagem externa? Com óleo, selo seco com gás? - Conhecer o fluxograma e identificar os principais componentes que atendem ao sistema de selagem externa 3) SISTEMA E ÓLEO DE LUBRIFICAÇÃO - Qual é o óleo (tipo)? - Qual é a carga para abastecimento? - Qual é o volume do reservatório? - Quantas bombas? EP-SSE/SC-SL/TBM/TTNP

Seção IV- 3


- Qual o tipo de resfriador? - Como é efetuado o controle de temperatura? - Qual é o modelo do elemento filtrante, a malha de filtragem e quantos elementos por filtro? - Como é efetuado o controle de pressão? - Quais são os limites operacionais do sistema? 4) SISTEMA DE BALANCEAMENTO AXIAL - Qual é tipo empregado? 5) PLANTAS DE PROCESSO DE COMPRESSÃO E GÁS COMBUSTÍVEL - Conhecer os fluxogramas e identificar os principais componentes - Conhecer a filosofia de operação - Identificar as interligações das plantas com a unidade de produção - Quais são os limites operacionais e os sistemas de proteção? - Conhecer o sistema de segurança. 6) SISTEMA DE CONTROLE ANTI-SURGE - Identificar os componentes da malha de controle anti-surge - Conhecer o controlador anti-surge 7) SISTEMA DE CONTROLE DE CAPACIDADE - Identificar os componentes da malha de controle de capacidade( PIC sucção, PIC descarga, seletor de menor (<) e controladores de capacidade. 8) INSTRUMENTAÇÃO DE PROTEÇÃO DO COMPRESSOR E PLANTA DE PROCESSO - Identificar os instrumentos de proteção: Sensores de nível, pressão, temperatura e vibração. 9) SISTEMA DE CONTROLE - Identificar os painéis de controle - Identificar os sistemas de segurança - Conhecer as seqüências lógicas de controle e proteção - Conhecer a filosofia de controle anti-surge e de capacidade do compressor

EP-SSE/SC-SL/TBM/TTNP

Seção IV- 4


ASPECTOS DE MANUTENÇAO INTRODUÇÃO O ambiente competitivo a que as empresas estão expostas hoje em dia requer uma otimização da utilização dos recursos disponíveis. Essa otimização só pode ser alcançada se for possível minimizar os custos de operação e manutenção das máquinas e maximizar a sua confiabilidade. Os custos decorrentes da operação e manutenção das máquinas rotativas ao longo da sua vida produtiva são em geral bem maiores que o custo de aquisição e instalação da máquina, não sendo incomum que somente o valor da energia consumida seja de 5 a 15 vezes maior que o preço do equipamento. A produção, basicamente, é composta pelas atividades de operação, manutenção e engenharia, sendo que o único produto que a operação deseja comprar da manutenção é da engenharia chama-se MAIOR DISPONIBILIDADE E CONFIABILIDADE AO MENOR CUSTO POSSÍVEL. A atividade da manutenção precisa, portanto deixar de ser apenas eficiente para se tornar eficaz; ou seja, não basta, apenas, reparar o equipamento ou instalação tão rápido quanto possível, mas principalmente, é preciso manter a função do equipamento disponível para a operação, evitar a falha do equipamento e reduzir os riscos de uma parada não programada. Se o antigo paradigma, e ainda atual na maioria das empresas, era de que “O homem de manutenção sente-se bem quando executa um bom reparo”, o novo paradigma é “O homem de manutenção sente-se bem quando não teve que fazer reparo porque conseguiu evitar as quebras não planejadas”. É dentro dessa função estratégica da manutenção, de obter a maior disponibilidade e confiabilidade ao menor custo possível, que existe uma crescente necessidade de se capacitar técnicos para executar tarefas multidisciplinares. TIPOS DE MANUTENÇÃO A maneira pela qual é realizada a manutenção nos equipamentos, sistemas ou instalações, caracteriza os vários tipos de manutenção existentes. O tipo de manutenção ou a filosofia de manutenção para a maioria dos equipamentos varia de companhia para companhia e depende da localização geográfica das instalações, da importância do equipamento dentro do processo produtivo, das condições ambientais, da complexidade do equipamento, etc. Basicamente, as atividades de manutenção podem ser classificadas em três categorias: -

Manutenção Corretiva Manutenção Preventiva Manutenção Preditiva

Várias ferramentas disponíveis e adotadas hoje em dia têm no nome a palavra Manutenção. É importante observar que essas não são novos tipos de manutenção, mas ferramentas que permitem a aplicação dos tipos principais de manutenção citados anteriormente. Dentre elas, destacam-se: § § §

Manutenção Produtiva Total (TPM) ou Total Productive Maintenance. Manutenção Centrada na Confiabilidade (RCM) ou Reliability Centered Maintenance. Manutenção Baseada na confiabilidade (RBM) ou Reliability Based Maintenance.


Seção IV- 1


MANUTENÇÃO CORRETIVA Manutenção Corretiva á a atuação para a correção da falha ou do desempenho menor do que o esperado. Ao atuar em um equipamento que apresenta um defeito ou um desempenho diferente do esperado, estamos fazendo manutenção corretiva. Assim, a manutenção corretiva não é, necessariamente, a manutenção de emergência. Classicamente, é tida como um tipo de manutenção indesejada e que, por isso mesmo, deve ser evitada, pois pode indisponibilizar a turbomáquina num momento indevido e por um prazo indefinido (a princípio, antes de avaliarmos os serviços necessários à sua recuperação), comprometendo duramente a produção envolvida. Assim, um bom planejamento da manutenção e sua correta execução devem ser capazes de minimizar a ocorrência, embora, em alguns casos pontuais , este tipo de manutenção pode ser o escolhido para certos componentes. Convém observar que existem duas condições específicas que levam a manutenção corretiva: a) Desempenho deficiente operacionais. b) Ocorrência da falha.

apontado

pelo

acompanhamento

das

variáveis

Desse modo, a ação principal na Manutenção Corretiva é corrigir ou restaurar as condições de funcionamento do equipamento ou sistema. A manutenção corretiva pode ser dividida em duas classes: § §

Manutenção Corretiva não planejada Manutenção Corretiva Planejada.

Manutenção Corretiva não planejada é a correção da FALHA de maneira ALEATÓRIA. Caracteriza-se pela atuação da manutenção em fato já ocorrido, seja este uma falha ou um desempenho menor do que o esperado. Não há tempo para preparação do serviço. Infelizmente, ainda é mais praticado do que deveria. Normalmente, a manutenção corretiva não planejada implica em altos custos, pois a quebra inesperada pode acarretar perdas de produção, perda da qualidade do produto e elevados custos indiretos de manutenção. Além disso, quebras aleatórias podem ter conseqüências bastante graves para o equipamento, isto é, a extensão dos danos pode ser bem maior. Em plantas industriais de processo contínuo (petróleo, petroquímico, cimento, etc.), estão envolvidas no seu processamento elevadas pressões, temperaturas, vazões, ou seja, a quantidade de energia desenvolvida no processo é considerável. Interromper processamentos desta natureza de forma abrupta para reparar um determinado equipamento compromete a qualidade de outros que vinham operando adequadamente, levando-os a colapsos após a partida ou uma redução da campanha da planta. Quando uma empresa tem a maior parte de sua manutenção corretiva na classe não planejada, seu departamento de manutenção é comandado pelos equipamentos e o desempenho empresarial da Organização, certamente, não está adequado às necessidades de competitividade atuais.


Seção IV- 2


Manutenção Corretiva planejada á a correção do desempenho menor do que o esperado ou da falha, por DECISÃO GERENCIAL, isto é, pela atuação em função de acompanhamento preditivo ou pela decisão de operar até a quebra. Um trabalho planejado é sempre mais barato, mais rápido e mais seguro do que um trabalho não planejado. E será sempre de melhor qualidade. A característica principal da manutenção corretiva planejada é função da qualidade da informação fornecida pelo acompanhamento do equipamento. Mesmo que a decisão gerencial seja de deixar o equipamento funcionar até a quebra, essa é uma decisão conhecida e algum planejamento pode ser feito quando a falha ocorre. Por exemplo, substituir o equipamento por outro idêntico, ter um kit para reparo rápido, preparar o posto de trabalho com dispositivos e facilidades, etc. A adoção de uma política de manutenção corretiva planejada pode advir de vários fatores: § § § § §

Possibilidade de compatibilizar a necessidade da intervenção com os interesses da produção. Aspectos relacionados com a segurança – a falha não provoca qualquer situação de risco para o pessoal ou para a instalação. Melhor planejamento dos serviços Garantia da existência de sobressalentes, equipamentos e ferramental. Existência de recursos humanos com a tecnologia necessária para a execução dos serviços e em quantidade suficiente, que podem, inclusive, ser buscados externamente à organização.

Para explicar: quanto menores forem as implicações da falha na segurança pessoal e operacional, nos custos intrínsecos dela, nos compromissos de entrega da produção, maiores serão as condições de adoção da política de manutenção corretiva. A análise conjunta, levando em conta os outros fatores, definirá a melhor política. MANUTENÇÃO PREVENTIVA Manutenção preventiva é a atuação realizada de forma a reduzir ou evitar a falha ou queda no desempenho, obedecendo a um plano previamente elaborado, baseado em INTERVALOS definidos DE TEMPO. Normalmente, o intervalo entre manutenções preventivas tem como base o calendário ou o tempo de operação das turbomáquinas, como podemos ver nos exemplos abaixo: • •

Preventiva semanal, preventiva mensal, preventiva semestral, preventiva anual; Preventiva de 4.000 h, preventiva de 8.000 h, preventiva de 16.000 h, preventiva de 25.000 h.

. Os intervalos e as tarefas a serem executadas são indicados pelos fabricantes baseados principalmente na vida útil esperada de cada componente e nos tempos ótimos de manutenção que levem a um melhor desempenho da turbomáquina. Normalmente, são ajustados pelo operador/ mantenedor das máquinas a partir de sua experiência acumulada e das demandas diferenciadas de sua instalação, visando otimizar o custo x benefício da manutenção. Inversamente à política de Manutenção Corretiva, a Manutenção Preventiva procura obstinadamente evitar a ocorrência de falhas, ou seja, procura prevenir. Em determinados setores, como na aviação, a adoção de manutenção preventiva é imperativa, pois o fator segurança se sobrepõe aos demais. EP-SSE/SC-SL/TBM/TTNP

Seção IV- 3


Como nem sempre os fabricantes fornecem dados precisos para a adoção nos planos de manutenção preventiva, além de as condições operacionais e ambientais influírem de modo significativo na expectativa de degradação dos equipamentos, a definição de periodicidade e substituição deve ser estipulada para cada instalação ou no máximo plantas similares operando em condições também similares. Isso leva à existência de duas situações distintas na fase inicial de operação: Ocorrência de falhas antes de completar o período estimado, pelo mantenedor, para a intervenção. Abertura do equipamento/ reposição de componentes prematuramente. Evidentemente, ao longo da vida útil do equipamento não pode ser descartada a falha entre duas intervenções preventivas, o que, obviamente, implicará numa ação corretiva. Analogamente ao que foi estabelecido para manutenção corretiva, os seguintes fatores devem ser levados em consideração para adoção de uma política de manutenção preventiva: -

Quando não é possível manutenção preditiva. Aspectos relacionados com a segurança pessoal ou da instalação que tornam mandatória a intervenção, normalmente para substituição de componentes. Por oportunidade em equipamentos críticos de difícil liberação operacional. Riscos de agressão ao meio ambiente.

A manutenção preventiva será tanto mais conveniente quanto maior for a simplicidade na reposição; quanto mais altos forem os custos de falhas; quanto mais falhas prejudicarem a produção e quanto maiores forem as implicações das falhas na segurança pessoal e operacional. Se por um lado a manutenção preventiva proporciona um conhecimento prévio das ações, permitindo uma boa condição de gerenciamento das atividades e nivelamento de recursos, além de previsibilidade de consumo de materiais e sobressalentes, por outro promove, via de regra, a retirada do equipamento ou sistema de operação para execução dos serviços programados. Assim, possíveis questionamentos à política de manutenção sempre serão levantados em equipamentos, sistemas ou plantas em que o conjunto de fatores não seja suficientemente forte ou claro em prol dessa política. Outro ponto negativo com relação à preventiva á a introdução de defeitos não existentes no equipamento devido a: -

Falha humana; Falha de sobressalentes; Contaminações introduzidas no sistema de óleo; Danos durante partidas e paradas; Falhas dos Procedimentos de Manutenção.

MANUTENÇÃO PREDITIVA A Manutenção Preditiva, também conhecida por Manutenção sob Condição ou Manutenção com Base no Estado do Equipamento, pode ser definida da seguinte forma:


Seção IV- 4


Manutenção Preditiva é a atuação realizada com base em modificação de parâmetro de CONDIÇÃO ou DESEMPENHO, cujo acompanhamento obedece a uma sistemática. A Manutenção Preditiva é a primeira grande quebra de paradigma na Manutenção, e tanto mais se intensifica quanto mais o conhecimento tecnológico desenvolve equipamentos que permitam avaliação confiável das instalações e sistemas operacionais em funcionamento. Seu objetivo é prevenir falhas nos equipamentos ou sistemas através de acompanhamento de parâmetros diversos, permitindo a operação contínua do equipamento pelo maior tempo possível. Na realidade o termo associado à Manutenção Preditiva é o de predizer as condições dos equipamentos. Ou seja, a Manutenção Preditiva privilegia a disponibilidade à medida que não promove a intervenção nos equipamentos ou sistemas, pois as medições e verificações são efetuadas com o equipamento produzido. Quando o grau de degradação se aproxima ou atinge o limite previamente estabelecido, é tomada a decisão de intervenção. Normalmente esse tipo de acompanhamento permite a preparação prévia do serviço, além de outras decisões e alternativas relacionadas com a produção. De forma mais direta, podemos dizer que a manutenção prediz as condições dos equipamentos , e , quando a intervenção é decidida, o que faz, na realidade, é uma manutenção corretiva planejada. Ou seja, a principal característica é a antecipação às falhas (prevenção). O objetivo é otimizar a manutenção nos seus custos e duração (indisponibilidade da turbomáquina para cumprir sua função), posto que evita-se a parada para manutenção preventiva, quando esta não fosse necessária (parâmetros em bons níveis), e antecipa-se a o agravamento de algum problema que levaria a uma falha (parâmetros com tendência ou sinais claros de degradação). Entre os parâmetros que são usualmente acompanhados via campanhas periódicas de coleta de dados no campo ou monitoração remota contínua (“on line”), podemos citar: Vibração; Performance; Análise de óleo; Parâmetros operacionais (temperaturas, pressões, etc).

-

As condições básicas para se adotar a Manutenção Preditiva são as seguintes: § O equipamento, o sistema ou a instalação devem permitir algum tipo de monitoramento/

medição. § O equipamento, o sistema ou a

instalação devem merecer esse tipo de ação, em

função dos custos envolvidos. § As falhas devem ser oriundas de causas que possam ser monitoradas e ter sua

progressão acompanhada. § Seja

estabelecido um programa de acompanhamento, análise e diagnóstico, sistematizado.

Os fatores indicados para análise da adoção de política de manutenção preditiva são os seguintes: § Aspectos relacionados com a segurança pessoal e operacional. EP-SSE/SC-SL/TBM/TTNP

Seção IV- 5

BÁSICO DE TURBOGERADORES § Redução de Custos pelo acompanhamento constante das condições dos equipamentos,

evitando intervenções desnecessárias. § Manter os equipamentos operando, de modo seguro, por mais tempo.

A redução de acidentes por falhas “catastróficas” em equipamentos é significativa. Também a ocorrência de falhas não esperadas fica extremamente reduzida, o que proporciona, além do aumento de segurança pessoal e da instalação, redução de paradas inesperadas da produção, as quais, dependendo do tipo de planta, implicam consideráveis prejuízos. Os custos envolvidos na Manutenção Preditiva devem ser analisados por dois ângulos: § O acompanhamento periódico através de instrumentos/ aparelhos de medição e análise

não é muito elevado, e quanto maior o progresso na área de microeletrônica, maior a redução dos preços. A mão-de-obra envolvida não apresenta custo significativo, haja vista a possibilidade de acompanhamento, também, pelos operadores. § A instalação de sistemas de monitoramento contínuo on line apresenta um custo inicial

relativamente elevado. Em relação aos custos envolvidos, estima-se que o nível de investimento é de 1% do capital inicial total do equipamento a ser monitorado, e que um programa de acompanhamento de equipamentos bem gerenciado apresenta uma relação custo/ benefício de 1/5 . No tocante à produção, a Manutenção Preditiva é a que oferece melhores resultados, pois intervém o mínimo possível na planta, conforme mencionado anteriormente. É fundamental que a mão-de-obra da manutenção responsável pela análise e diagnóstico seja treinada. Não basta medir; é preciso analisar os resultados e formular diagnósticos. Embora isto possa parecer óbvio, é comum encontrar, em algumas empresas, sistemas de coleta e registro de informações de acompanhamento de Manutenção Preditiva que não produzem ação de intervenção com a qualidade equivalente aos dados registrados.


Seção IV- 6


ENGENHARIA DE MANUTENÇÃO É a segunda quebra de paradigma na Manutenção. Praticar a Engenharia Manutenção significa uma mudança cultural. É deixar de ficar consertando continuamente, para procurar as causas básicas, modificar situações permanentes de mau desempenho, deixar de conviver com problemas crônicos, melhorar padrões e sistemáticas, desenvolver a manutenibilidade, dar feedbacak ao projeto, inferir tecnicamente nas compras. Engenharia de Manutenção significa perseguir benchmarks, aplicar técnicas modernas, estar nivelado com a manutenção de Primeiro Mundo. Alguém que esteja praticando Manutenção Corretiva não planejada terá um longo caminho e percorrer para chegar a praticar Engenharia de Manutenção. E o maior obstáculo a ser vencido está na “cultura” que está sedimentada nas pessoas. Suponha que uma determinada planta adota Manutenção Preventiva para um conjunto de redutores de uma torre de refrigeração. Sabemos que a estimativa mais acertada de tempo para as intervenções é extremamente difícil, porque nesse tipo de equipamento a vida dos diversos componentes é diferente, apesar do pequeno número de componentes, Os rolamentos têm uma vida diferente dos retentores, que por sua vez têm vida diferente das engrenagens. A experiência indica que mais intervenções do que necessário serão feitas e/ ou um número elevado de troca de peças com meia vida ainda em bom estado será processado. Há que compatibilizar aqui as vantagens x desvantagens entre custo desnecessário de utilização de alguns sobressalentes contra sucessivas intervenções nos equipamentos. Quando a manutenção dessa planta passa a adotar a Preditiva para o acompanhamento do conjunto de redutores, estará auferindo ganhos sensíveis , com melhores resultados globais. O número de intervenções cairá drasticamente, o consumo de sobressalentes também e o número de homem-hora alocado a esses equipamentos, consequentemente, também será reduzido. A Preditiva permite alcançar a máxima disponibilidade para a qual os equipamentos foram projetados, proporcionando aumento de produção e faturamento. Outro aspecto interessante e inovador é que o sistema de Acompanhamento Preditivo fornecerá todos os dados pertinentes ao acompanhamento, incluindo dados instantâneos, curvas de tendências, e tantos outros dados quando sejam de interesse das pessoas que formam a Manutenção dessa planta. Esse sistema fornecerá, também, valores de alarme que guiarão as recomendações para intervenção em qualquer dos redutores, num tempo anterior à ocorrência da falha. No momento em que a estrutura de Manutenção dessa planta estiver utilizando para análises, estudos e proposição de melhorias todos os dados que o Sistema de Preditiva colhe e armazena, estará praticando Engenharia de Manutenção. A Engenharia de Manutenção utiliza dados adquiridos pela Manutenção, para melhorar sempre. Se a Manutenção estiver vivendo o estágio de intervir corretivamente nas plantas, comandada pela quebra aleatória dos equipamentos, certamente não estará fazendo Manutenção Preditiva. E infelizmente, com muito mais razão não terá ninguém para pensar em engenharia de Manutenção. PROGRAMAÇÃO DA MANUTENÇÃO As manutenções podem e devem ser programadas com antecedência e cobrindo um horizonte de tempo futuro de médio a longo prazo (anual ou mais), sendo esta programação revista num horizonte de curto prazo (alguns meses) à luz das mudanças de cenários, que pode ter origem em alteração observadas na turbomáquina (falhas parciais não impeditivas do funcionamento, quedas significativas de performance, etc) ou alteração nas demandas de processo onde ela está inserida (impedimento de parada na produção, necessidade de melhora de performance, etc). Esta programação deve utilizar-se de todas as tipos / técnicas EP-SSE/SC-SL/TBM/TTNP

Seção IV- 7


disponíveis, organizada de tal forma a proporcionar uma melhor performance e maior disponibilidade ao longo do tempo (longo prazo) e não pontualmente, implicando no maior retorno possível (maior produção gerada pela turbomáquina / menor perturbação ao processo produtivo) aos menores custos de manutenção. Este é o desafio da programação, que podemos resumir em otimização da manutenção. O resultado do exercício de programação da manutenção é o Plano de Manutenção. Segundo sua abrangência e periodicidade as manutenções que compõem o Plano de Manutenção podem ser classificadas em: MANUTENÇÃO PREVENTIVA MANUTENÇÂO DE ROTINA Podem ser diárias, semanais, mensais, trimestrais,. Trata-se de tarefas simples em sua maioria, a serem executadas pela própria operação/ manutenção de campo (não requer equipe especializada no equipamento) em periféricos a acessórios da turbomáquina. São exemplos deste a verificação do nível de óleo lubrificante, vazamentos e ruídos em geral, queda de pressão em filtros, acompanhamento de parâmetros operacionais e identificação de alterações importantes nestes, testes de lâmpadas de sinalização, passando por verificação do estado de bancos de baterias e sensores de fogo e gás, até verificação da calibração de alguns instrumentos. REVISÕES PARCIAIS Como está explicito a abrangência é parcial e são manutenções realizadas e repetidas entre as revisões gerais. O objetivo é recompor a condição operacional no que diz respeito a desgastes mecânicos, degradação da performance ou até mesmo realizar uma mais completa avaliação do estado ou inspeção interna da turbomáquina, de forma a que se possa garantir um novo período operacional (até a próxima revisão). Nestes casos são normalmente demandadas equipes de especialistas treinados naquele tipo e modelo de turbomáquina, que atuarão tanto para seu planejamento como na execução das tarefas mais ou menos complexas que compõem aquela revisão. São exemplos: Revisão intermediária: Também conhecida como revisão Major, no caso de turbinas. É uma revisão preventiva que tem como abrangência praticamente todo o pacote em seus componentes mais críticos ou mais sujeitos a falhas (com menor tempo médio entre falhas). São normalmente revisões recomendadas pelos fabricantes com indicações das tarefas a serem realizadas. Entre elas a revisão/ teste do painel de controle (sequenciamento de partida e parada, controle), malhas de monitoração e controle no campo, acessórios e periféricos tais como válvulas de controle, motores elétricos, bombas, ventiladores, sistemas de filtragem e de partida, etc. Revisão de partes quentes de uma turbina: O objetivo é a inspeção e troca ou reparo de componentes da turbina da GG (câmaras de combustão, palhetas fixas e rotoras, etc). Como são as partes submetidas a maiores exigências mecânica e metalúrgicas numa turbina, requerem tratamento diferenciado e por isso a demanda de uma inspeção e recomposição, se necessária, entre revisões gerais. Entre as principais tarefas inclui a inspeção boroscopica da turbina (que será vista mais tarde) e a inspeção e limpeza de bicos injetores. Lavagem da Geradora de Gás: Normalmente é uma lavagem realizada com a turbina fora de operação (fria), rodando-a a baixa velocidade em ventilação (pelo uso do motor de partida), com a injeção manual ou automática de um composto líquido a base de detergente dissolvido em água e /ou querosene pela sua sucção. O objetivo é a limpeza dos vários estágios do rotor e estator do compressor de ar da GG de forma a se recompor a performance, aumentando-se a pressão de descarga do compressor de EP-SSE/SC-SL/TBM/TTNP

Seção IV- 8


ar e reduzindo-se a temperatura de queima para as mesmas rotações de trabalho e potências geradas. REVISÃO GERAL Também conhecida como overhaul. No caso das turbinas, implica na desmontagem completa da turbomáquina em módulos e até componentes, para substituição ou reparo devido a deterioração/ desgaste normal, falha precoce ou por fim de sua vida útil, nos casos de componentes com vida útil controlada (partes quentes de turbinas a gás). O objetivo é conferir a capacidade de operar uma nova campanha sem nova abertura completa até a próxima revisão geral prevista. É a revisão mais complexa da turbomáquina, envolvendo um grande número de tarefas encadeadas desmontagem, limpeza, inspeção, reparo de componentes, balanceamento, montagem, ajustes e até testes em bancada ou no campo. Demandam por isso mesmo equipes com o nível mais elevado de especialização (ao lado dos especialistas em identificação e análise de falhas). Estes especialistas também são treinados naquele tipo e modelo de turbomáquina e atuarão tanto para seu planejamento como na execução das tarefas complexas que compõem aquela revisão. No caso das turbinas, o intervalo entre revisões gerais varia de fabricante para fabricante podendo ser desde entre cada 24.000 a entre cada 50.000 horas de operação. Dependendo do tipo (aeroderivada ou industrial) a turbina pode ser retirada inteira ou em módulos e enviada para uma oficina especializada para revisão completa e teste em bancada quando possível. PROGRAMAÇÃO DE PREVENTIVA Abaixo temos uma visão geral de programação de manutenções preventivas (vários tipos de revisão) para algumas turbomáquinas. TURBINA

PERIODICIDADE (x 1000) Hrs 4

8

10

16

MJ

PGT – 5 MJ

20

25

30

32

HGPI

40

50

OH

PGT –10

B

LM-2500

B

HGPI

OH

LM-2500+

B

HGPI

OH

AVON

B+MJ

OH

ALLISON

B+MJ

SATURN

B

MJ

OH

CENTAUR

B

MJ

OH

TAURUS

B

MJ

OH

MARS

B

MJ

OH MJ

MAN-GHH DR-990

HGPI

B

OH

OH1

MJ

OH2 OH

B – Boroscopia MJ – Revisão Major HGPI – Inspeção partes quentes (Hot Gas Path Inspection) OH – Overhaul (-1Turbocompressor; -2Turbogerador) EP-SSE/SC-SL/TBM/TTNP

Seção IV- 9


Em relação a compressores centrífugos, não existem manutenções preventivas parciais do compressor em si, sendo somente realizado o acompanhamento dos principais parâmetros: vibração e temperatura dos mancais radiais, temperatura e deslocamento axial dos mancais axiais ou de escora, temperaturas, pressões e vazão do gás comprimido (Manutenção on-condition). A maioria dos compressores centrífugos de gás instalados na Bacia de Campos seguem as normas da American Petroleum Institute, a qual estabelece que os compressores e componentes devem ser projetados para operar por no mínimo 24.000 h (3 anos aproximadamente) sem necessidade de revisão. Pode-se por tanto dizer que o intervalo entre revisões gerais (overhaul) para um compressor centrífugo que segue a API é de 24.000 h de operação. Já os compressores alternativos, além das manutenções rotineiras (diária, semanal, etc) sofrem revisão parcial a cada 4.000 h e revisão geral a cada 8.000 h. MANUTENÇÃO PREDITIVA Conforme já exposto anteriormente, visando acompanhar o estado da Turbomáquina são programadas “campanhas” de medição/monitoração periódicas utilizando técnicas e equipamentos adequados, cujo uso requer conhecimento específico. Os parâmetros mais comuns que são acompanhados dentro de um programa de preditiva através de campanhas periódicas são: -

Vibração da turbina, compressores e caixas de engrenagem. Performance de compressores e turbinas. Análise de óleo lubrificante e de selagem (se for o caso).

Em relação à periodicidade das campanhas de vibração, performance e coleta de óleo para análise, não existe um tempo recomendado. Dependerá basicamente das condições operacionais das turbomáquinas, existência de máquina “stand-by”, disponibilidade da máquina para parada (no caso de performance) etc. Inicialmente a periodicidade para as campanhas de vibração, performance e análise de óleo pode ser trimestral, semestral e quadrimestral respectivamente e deverão ser ajustadas ao longo do tempo. Cada vez mais estão disponíveis sistemas de coleta de dados on-line instalados nas Turbomáquinas, que permitem a coleta de dados remotamente e a análise necessária sem a necessidade de deslocamento de pessoal e equipamento para o campo. Exemplos disso são o Sistema de Monitoramento de vibração Data Manager 2000 da Bently Nevada e o Sistema on-line de coleta de dados para performance PI já utilizados em algumas máquinas da Petrobras. MANUTENÇÃO CORRETIVA São exemplos as trocas/ reparos de mancais e de selagens em turbinas e compressores, de acoplamentos entre partes de um pacote de turbomáquina, de engrenamentos de caixas multiplicadoras, redutoras ou de acessórios, de sensores e instrumentos de controle das turbomáquinas, de seus periféricos ou componentes de plantas de processo (trocadores de calor, por exemplo), etc. Quando a extensão e gravidade da falha forem altas, pode ser demandada ou mais econômica uma revisão geral.


Seção IV- 10


MANUTENÇÃO “ON CONDITION” Aplicável a equipamentos que não tem componentes com vida útil controlada (normalmente compressores e caixas de engrenagens), onde, a partir de diagnósticos oriundos do acompanhamento do estado do equipamento, via manutenção preditiva, pode-se antecipar ou postergar revisões programadas, ou melhor, definir o momento ideal para a realização de uma revisão e seu escopo (parcial ou geral). Se corretamente aplicada, representa um dos melhores exemplo de otimização da manutenção, como resultado da correta aplicação das ferramentas da manutenção preditiva. Por isso mesmo, demandam uma capacitação profunda naquelas ferramentas e sua aplicação metódica. Do contrário, os resultados podem ser verdadeiros fracassos.


Seção IV- 11

Básico de Turbinas a Gás_ Petrobras

Recommend Documents